ارزیابی پوشش کرم آلومیناید با دو نوع پودر بر روی آلیاژ IN 738 LC

چکیده

   سمانتاسیون بسته‌ای یکی از روشهای متداول پوشش دهی C.V.D است. در این تحقیق نمونه‌هایی از جنس آلیاژ IN 738 LC در دو مرحله پوشش داده شده‌اند . در مرحله اول نمونه‌ها با پودری شامل کرم خالص کرومیزه شده و بعد از آن عملیات آلومینایزینگ بر روی نمونه‌ها صورت گرفته است. در حالت آلومینایزینگ از یک پودر شامل کرم و آلومینیم خالص استفاده شده است . همین عملیات با یک پودر آلیاژی Cr-AI نیز صورت گرفته است.

   ارزیابی پوشش‌ها با آزمایشهای مختلفی شامل آنالیز شیمیایی، برسی ساختار و مورفولوژی سطح و خوردگی داغ صورت گرفته است. نتایج نشان میدهند که مقاومت به خوردگی نمونه‌های پوششی داده شده با پودر خالص کمتر از نمونه‌های پوشش داده شده با پودر آلیاژی است.

تئوری

   یکی از اهداف نیروگاههای تولید برق بالا بردن میزان تولید می‌باشد. این مهم بستگی به افزایش راندمان و کارآیی توربین دارد. لازمه این امر توسعه آلیاژ‌های مورد استفاده، طراحی سیستم‌های خنک‌کن پیشرفته‌تر و یا پوشش‌های پیشرفته می‌باشندو یکی از روشهای بالا بردن راندمان، بالا بردن دمای کاری پره‌هاست، ولی از طرفی با افزایش دما خوردگی و اکسیداسیون پره‌ها افزایش می‌یابد. به همین دلیل استفاده از آلیاژ مناسب و پوشش دهی آن ضروری است. روشهای مختلفی برای پوشش دهی آن ضروری است. روشهای مختلفی برای پوشش دهی پره‌های توربین وجود دارند که یکی از این روشها پوشش دهی بطریق سمانتاسیون است.

   یکی از روشهای سمانتاسیون، آلومینایزینگ اصلاح شده با کرم است که به دو طریق رسوب یکسان کرم و آلومینیم(تک مرحله‌ای) و یا کرومیزه و آلومینیزه کردن(دو مرحله‌ای)مثل روش ELCOAT 37 صورت می‌گیردو در هر دو حالت از یک پودر آلیاژی کرم-آلومینیم همراه با فعال کننده‌ها و پرکننده‌ها استفاده می‌شود. بسته به مقدار آلومینیم پوشش ممکن است اکتیویته آلومینیم بالا و یا اکتیویته آلومینیم پائین باشد. بهر حال نیروی محرکه جهت ایجاد پوشش، اختلاف اکتیویته بین عناصر در مخلوط پودر و در سطح آلیاژ است.

   در پوشش نفوذی با اکتیویته پائین نفوذ نیکل از داخل آلیاژ به سمت بیرون بوده و در نهایت پوشش دارای ترکیب NiAl همراه با مقدار کمی عناصر آلیاژ می‌باشد. در حالت اکتیویته بالا نفوذ Al بداخل آلیاژ صورت می‌گیرد و پوشش دارای ترکیب Ni2Al3 است که بعد از یک عملیات حرارتی مناسب به ترکیب NiAl تبدیل می‌شود. کرم با مکانیزم ترسیب (deposition)  بر سطح آلیاژ اعمال می‌شود و سینتیک رشد پوشش بصورت خطی است، در حالیکه آلومینیم با مکانیزم نفوذ (diffusion) عمل نموده و سینتیک رشد پوشش بصورت سهمی می‌باشد (شکل 1). در روش دو مرحله‌ای کرومیزه و آلومینیزه کردن، هر مرحله از پوشش‌دهی می‌تواند با پودر خالص کرم و آلومینیوم و یا شکل آلیاژی آنها به همراه پرکننده‌ها و فعال کننده‌ها انجام شود، ولی در حالت کاربرد شکل آلیاژی، مقاومت به خوردگی بیشتر خواهد بود.

یکی از اهداف پوشش‌دهی آلیاژهای اینکونل مقاومت بالای پوشش در برابر خوردگی است مکانیزم‌های خوردگی در پره‌های توربین عبارتند از:

خوردگی ناشی از سولفوره شدن، خوردگی ناشی از تشکیل مواد مذاب و نیمه مذاب خورنده بر سطح پره توربین و خوردگی ناشی از اکسیده شدن. سرعت این مکانیزم‌ها بستگی به درجه حرارت دارد. در هرمحدوده حرارتی یکی از این مکانیزم‌ها عامل اصلی خوردگی است (شکل 2) که عبارتند از:

ـ در دمای نسبتاًپایین (C 0ً700) سولفیداسیون عامل خوردگی است .

ـ در دمای C 0 ‌‌950-750 ، خوردگی در اثر نمک مذاب سولفات سدیم و کلرور سدیم بوجود می‌آید.

ـ در دمای خیلی بالا، مسئلة اکسیداسیون وجود دارد.

با وجود پوشش دادن باز هم امکان خوردگی پوشش وجود دارد. به هر حال سولفات سدیم باعث خوردگی لایه Al2o3 و Cr2o3 خواهد شد، ولی زمان لازم برای تخریب افزایش خواهد یافت.

روش تحقیق

ـ تهیه نمونه:

نمونه‌هایی به ابعاد 3ـ1 سانتی‌متر مربع از ریشة پره GE-Frame5 از آلیاژ IN 738 تهیه گردیدند. کلیه نمونه‌ها توسط سنباده‌ها 220 تا 800 پولیش مکانیکی شده، سپس با آب و چربی زدا تمیز شدند.

-پوشش دهی:

نمونه‌ها در یک جعبه از جنس فولاد زنگ نزن316 قرار داده شدند. بر روی نمونه‌ها فرآیند آلومینایزینگ اصلاح شده با کرم صورت گرفت. ترکیب پودر،شرایط بهینه عملیات پوشش دهی از لحاظ دما و زمان و عملیات حرارتی در جدول 1 آمده است. آزمایشات تحت اتمسفر خنثی(گاز آرگون) انجام گرفتند.

-ارزیابی پوشش:

پس از انجام عملیات پوشش دهی، نمونه‌ها متالوگرافی شده و آنالیز کیفی و کمی آنها با SEM/EDS انجام گرفت. نمونه‌های پوشش داده شده تحت شرایط خوردگی داغ قرار گرفتند. شرایط خوردگی داغ نمک مذاب 75% Na2SO4-25% NaCI در دمای 0C 850 بوده است. نمونه‌ها هر 24 ساعت از مذاب خارج شده، با آب مقطر شستشو و خشک شده و تغییرات وزن اندازه‌گیری شدند و سپس نمونه‌ها مجدداًدر مذاب تازه برای سیکل بعدی قرار گرفتند. مدت آزمایش 200 ساعت بوده است.

نتایج

   تصاویر حاصل از متالوگرافی در اشکال 3 الی 6 آمده‌اند و نتایج آنالیز کیفی در اشکال 7 و 8 آورده شده‌اند. جدول 2 نتایج آنالیز کمی را نشان می‌دهد. نتایج آزمایش خوردگی داغ در اشکال 9 و 10 و 11 آمده است.

بحث

   شکل 3 نشاندهنده نمونه کرومیزه شده است. پوشش از دو ناحیه ، لایه کرم(لایه بیرونی)و لایه نفوذی تشکیل شده است. ضخامت لایه کرم حدود 40-35 میکرون می‌باشد که با تغییر زمان دما و دما این ضخامت متغیر خواهد بود لایه بیرونی دارای زمینه a-Cr است که بسیار ترد و شکننده می‌باشد. لایه نفوذی از نفوذ کرم به داخل آلیاژ تشکیل شده و ضخامت آن در حدود 20 –15 میکرون است. نفوذ کرم به داخل آلیاژ باعث افزایش در صد کرم در لایه نفوذی می‌شود. بعد از عملیات آلومینیزه کردن اکتیویته بالا (شکل 4)، رشد پوشش به سمت داخل بوده و کرم در لایه بیرونی توضیح یکنواختی خواهد داشت و درون فاز  ، رسوبات NiAl وجود دارد و در لایه نفوذی زمینه NiAl با رسوبات  مشاهده می‌شود.

اشکال 5 و 6 ، تصاویر نمونه اینکونل کرومیزه و آلمینیزه شده با پودر خالص و پودر آلیاژی را نشان می‌دهد. تفاوت اصلی فرایند در کاربرد پودر فلزات به صورت خالص و آلیاژی آنها ، در راسب شدن یکسان کرم وآلومنیم درپودر آلیاژی است . مقاومت به خوردگی دراین حالت بیشتر ازحالت کاربرد فلزات بصورت پودر خالص خواهد بود. با وجود اینکه امکان دارد کرم و آلومینیم درحالت خالص (مخلوط دو فلزبصورت خالص)در آلیاژ رسوب کنند، ولی هنگام استفاده در سرویس ، پوشش تخریب خواهد شد. چون ضریب نفوذ کرم در دماهای بالا خیلی کمتر از ضریب نفوذ آلومینیم است ، لذا با آلیاژ سازی اکتیویته آلومینیم پایین آمده و امکان نفوذ همزمان آنها به صورت آلیاژ وجود خواهد داشت.

وجود بعضی عناصر باعث نفوذ بهتر عناصر آلیاژی خواهد شد. دو روش عمده برای این کار وجود دارد که عبارتند از اضافه کردن منبع اکسیدی به مخلوط پودر ، مثل Zro2 ، Y2O3 ،HfO2 و یا اضافه کردن منبع هالیدی مثل YCI3 ، HfCI4 ،ZrCI4 به هر حال وجود این ترکیبات باعث کاهش نیروی محرکه جهت انجام رسوب یکسان عناصر آلیاژی خواهد شد.

   آنالیز کیفی پوشش در اشکال 7 و 8 برای هر دو حالت نشان داده شده است. وجود کرم و آلومینیم در هر دو پوشش نشان دهنده نفوذ آلومینیم و کرم در هر دو حالت است.

جدول 2 تغییرات درصد عناصر کرم، آلومینیم و نیکل در لایه پوشش را نشان می‌دهد. در لایه بیرونی و نفوذی مقدار کرم زیاد بوده و بعد کم می‌شود و این بدلیل وجود در سطح می‌باشد. آلومنیم نیز به همین گونه است.

   اشکال 9 و 10 منحنی تغییرات وزن نمونه‌ها با زمان (سرعت خوردگی) را نشان می‌دهد. آزمایش تقریباً در بدترین شرایط خورنده آزمایش شده است. دما C850و ترکیب نمک مذاب 75% Na2SO4-25%NaCI بوده که خوردگی از نوع اول (C 1000 –750)را بوجود می‌آورد. در زمانهای ابتدائی مسئله اکسیداسیون و سولفیداسیون به کندی صورت پذیرفته و در زمان حدود 100 ساعت خوردگی بصورت ناکهانی تسریع می‌یابد.

سرعت خوردگی نمونه پوشش داده شده با پودر خارجی (پودر آلیاژی ) کمتر از نمونه پوشش داده شده با پودر خالص است و این مطلب اولابه یکنواختی ساختار پوشش، ثانیا به نسبت مقدار کرم به آلومینیم برمی‌گردد.

شکل 11 تصاویر نمونه‌های خورده شده که برش داده شده‌اند را نشان می‌دهد. شکل 12 مورفولوژی سطوح خورده شده در طی 200 ساعت را نشان می‌دهد. در زمان حدود 100 ساعت محصولات خوردگی سبز رنگ می‌شوند که نشاندهنده خورده شدن سطح آلیاژ می‌باشد.

 

نتیجه‌گیری

-          -          ساختار لایه‌های کرومیزه شدن با پودر خارجی و پودر خالص تقریباًیکسان است.

-          -          - کرم و آلومینیم در هر دو حالت پودر آلیاژی و پودر خالص در سوپر آلیاژ نفوذ کرده‌اند ولی مقدار آنها با هم تفاوت دارد.

-          -          سرعت خوردگی نمونه‌های پوشش داده شده با پودر خالص بیشتر از نمونه‌های پوشش داده شده با پودر آلیاژی است.

تشکر و قدردانی

در پایان از آقای مهندس محمد رضا جهانگیری که در انجام این تحقیق ما را یاری داده‌اند تشکر و سپاسگزاری می‌شود.

 

مراجع

1)W.Da Costa, B. Gieeson, D.L.Young, ''Co-deposited chromium-aluminide coatings, Origins of non-equilibrium effects’,Surface and Coating Technology, 88, 1996,PP165-171.

2)C.Davin , G . Maringlesen , R. Pichoir, ‘Recent development applications to the Corrosion resistant Coatings ‘’, High temperature for gas turbine and other application, 1986 proceeding a conference held-Liege, 1986.

3)R. Mevvel , C. Duret ,R . Pichoir,’Packcemetation processes' , Materials Science and Technology , Vol.2, 1986,pp206-210

4)R.Bianco , M.A. Harper , R.A. Rapp, 'CO-depositing elements by halide activated pack cementation ' , J.O.M., Nov. 1991.

5)R.T. Coyle , T.M. Rhomas , G.Y.Lai, 'Exploratory Corrosion Tests on Alloy in Molten Salts at 900 c ' , High temperayure corrosion in energy systems, 1985.