ارزيابي تأثير عمليات سطحي ليزري بر مقاومت اكسيداسيون داغ يك پوشش NiCoCrAlY ايجاد شده به روش HVOF

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مواد

كارشناسي ارشد

پوشش‌هاي MCrAlY به طور گسترده‌اي براي محافظت از اجزاي سوپرآلياژ در برابر اكسيداسيون و خوردگي در بخش‌هاي داغ توربين‌هاي گازي استفاده مي‌شوند. در اين پژوهش، تأثير عمليات ذوب سطحي ليزري بر ريزساختار، مورفولوژي و رفتار اكسيداسيون داغ پوشش NiCoCrAlY اعمال شده به روش پاشش سوخت-اكسيژن سرعت بالا (HVOF) بررسي شده است. بدين منظور پس از ايجاد پوشش NiCoCrAlY روي زيرلايه سوپرآلياژ پايه نيكل CMSX-4، عمليات ذوب سطحي روي پوشش‌ها توسط ليزر Nd:YAG پالسي به دو صورت تك پاس و چند پاس انجام گرفت. از ميكروسكوپ الكتروني روبشي، طيف سنج تفكيك انرژي، ميكروسكوپ نوري، زبري سنجي و ميكروسختي‌سنجي‌ به منظور ارزيابي مورفولوژي، ريزساختار و سختي پوشش‌ها استفاده شد. نتايج نشان داد كه فرآيند ذوب سطحي ليزري به ميزان قابل توجهي در بهبود چسبندگي، كاهش تخلخل و كاهش زبري سطحي پوشش تأثيرگذار است. در توان 70 وات (سرعت روبش 2، 3 و 4 ميلي‌متر بر ثانيه) حدود نيمي از عمق پوشش ذوب مجدد شده و تقريباً ساختاري متراكم در نيمه بالايي پوشش حاصل شد. در توان 250 وات (سرعت روبش 8، 10 و 12 ميلي‌متر بر ثانيه) علاوه بر حذف نسبتاً كامل تخلخل‌هاي ساختاري، ناهمگوني‌هاي سطحي و رشته‌هاي اكسيدي موجود در ساختار پوشش، كل عمق پوشش ذوب مجدد شده و پيوند مكانيكي موجود در فصل مشترك پوشش-زيرلايه، به پيوند متالورژيكي تبديل شده و چسبندگي بهتري بين پوشش و زيرلايه ايجاد گرديد. در سرعت روبش ثابت (2 ميلي‌متر بر ثانيه)، با افزايش 40 درصدي توان ليزر از 50 به 70 وات، عمق ناحيه ذوب مجدد شده حدود 50 درصد و پهناي ناحيه ذوب سطحي شده حدود 100 درصد افزايش يافت. از طرف ديگر در توان ليزر ثابت (70 وات)، با افزايش 50 درصدي سرعت روبش از 4 به 6 ميلي‌متر بر ثانيه، عمق ناحيه ذوب مجدد شده حدود 14 درصد و پهناي ناحيه ذوب سطحي شده حدود 0/5 درصد كاهش يافت. بنابراين تأثير افزايش توان ليزر در افزايش عمق ناحيه ذوب مجدد شده، كاهش تخلخل موجود در پوشش و افزايش مساحت و پهناي ناحيه ذوب سطحي شده، بيشتر از كاهش سرعت روبش ليزر است. سطح مقطع ناحيه ذوب مجدد تك پاس با افزايش توان ليزر در سرعت روبش ثابت، به صورت خطي افزايش يافت. از طرف ديگر با كاهش سرعت روبش ليزر در توان ثابت نيز، سطح مقطع ناحيه ذوب مجدد تك پاس به صورت خطي افزايش يافت. با اين حال تأثير افزايش توان ليزر در افزايش سطح مقطع ناحيه ذوب مجدد، بيشتر از كاهش سرعت روبش ليزر بود. در فرآيند ذوب سطحي ليزري، مناطق ذوب مجدد چند پاس نسبت به تك پاس عميق‌تر بود. زبري ميانگين Ra براي پوشش NiCoCrAlY پس از رسوب‌دهي با روش HVOF، در حدود 3/45 ميكرومتر بود كه پس از فرآيند ذوب سطحي ليزري تا حدود 80 درصد كاهش يافت. همچنين به دليل نرخ انجماد بالا منجر به كاهش اندازه دانه و افزايش سختي از فصل مشترك به سمت سطح پوشش تا حدود 15 درصد گرديد. از طرف ديگر مقايسه متغيرهاي فرآيند ذوب سطحي ليزري نشان داد به‌طور كلي در توان ليزر ثابت، با افزايش سرعت روبش ليزر به دليل ريزتر شدن ساختار دندريتي، مقدار ميكروسختي سطح پوشش افزايش مي‌يابد. جهت بررسي رفتار اكسيداسيون داغ نمونه‌هاي پوشش‌دار قبل و بعد از عمليات ذوب سطحي ليزري، ‌آزمون اكسيداسيون داغ ايزوترم در دماي 1000 درجه سانتي‌گراد و به مدت 170 ساعت انجام گرفت. بيشترين ميزان افزايش وزن و اكسيداسيون مربوط به پوشش‌ NiCoCrAlY پاشش شده به روش HVOF بود و لايه اكسيدي TGO به ضخامت حدود 9/3 ميكرومتر، شامل دو لايه اكسيد آلومينا (α-Al2O3) و اكسيد اسپينل Ni,Co)Al2O4) بر روي پوشش تشكيل شد. نتايج نشان داد فرآيند ذوب سطحي ليزري از طريق بهبود چسبندگي، كاهش تخلخل و كاهش زبري سطحي، مقاومت به اكسيداسيون داغ پوشش NiCoCrAlY را به طور قابل توجهي افزايش داده و موجب كاهش نرخ رشد لايه اكسيدي و تشكيل لايه α-Al2O3 پايدار مي‌شود. در بين نمونه‌هاي ذوب سطحي ليزري شده، نمونه‌هاي P250V12 و P70V2 (زيروند P و V به ترتيب نشانگر مقدار توان و سرعت روبش ليزر است) به دليل داشتن چگالي انرژي كافي و كمترين ميزان زبري سطح، بيشترين مقاومت به اكسيداسيون داغ را از خود نشان دادند. همچنين ضخامت لايه TGO در آن‌ها به ترتيب 3/8 و 2/6 ميكرومتر بود كه نسبت به پوشش بدون عمليات سطحي ليزري، كاهش قابل توجهي داشت.

214630

شناسايي و انتخاب مواد مهندسي

مهندسي مواد

دانشگاه صنعتي اصفهان

مهران نحوي، مسعود عطاپور

احمد كرمانپور، فخرالدين اشرفي زاده