اثر فاصله پاشش و نرخ تغذيه پودر در فرآيند HVOF بر رفتار خوردگي
داغ پوششهاي NiCrAlY

سميه شريفحسن*1، ضياء والفي2، سيد حجتاله حسيني3 و كوروش جعفرزاده4
كارشناس ارشد مهندسي مواد، مركز آموزشي تحقيقاتي مواد فلزي، دانشگاه صنعتي مالك اشتر، تهران
عضو هيأت علمي مركز آموزشي تحقيقاتي مواد فلزي، دانشگاه صنعتي مالك اشتر، تهران
محقق مركز آموزشي تحقيقاتي مواد فلزي، دانشگاه صنعتي مالك اشتر، تهران
استاديار، مركز آموزشي تحقيقاتي مواد فلزي، دانشگاه صنعتي مالك اشتر، تهران
*s_sharifhasan@yahoo.com
(تاريخ دريافت: 28/05/89، تاريخ پذيرش: 19/08/89)

چكيده
در اين پژوهش پوشش NiCrAlY توسط روش پاشش شعلهاي سرعت بالا (HVOF) و تحت شرايط متفاوت از لحاظ فاصله پاشش و نرخ تغذيه پودر بر روي نمونههاي فولادي اعمال گرديد. رفتار خوردگي داغ پوششهاي اعمالي به روش كورهاي در مخلوط نمك -4Na2SO560%V2O و در دماي 900 درجه سانتيگراد مورد بررسي قرار گرفت. براي تعيين مشخصههاي ساختاري و فازي پوششها بعد از آزمون خوردگي از ميكروسكوپ نوري و ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM/EDS) استفاده شد. نتايج به دست آمده نشان داد كه فاصله پاشش و نرخ تغذيه پودر اثر قابل ملاحظه اي بر خواص پوششهاي NiCrAlY از جمله مجموع فازهاي اكسيدي و تخلخل موجود در پوشش دارند. نمونه پوششي با فاصله پاشش 20 سانتيمتر و نمونه پوششي با نرخ تغذيه پودر 32 گرم بر دقيقه به دليل مقدار اكسيد كمتر بهترين مقاومت به خوردگي
را از خود نشان دادند.

واژههاي كليدي:
خوردگي داغ، پوشش NiCrAlY، پاشش شعلهاي سرعت بالا.

1- مقدمه
خوردگي داغ اكسيداسيون تسريعشدهاي است كه ناشي از حضور آلايندههاي نمكي مثل سولفات سديم، كلريد سديم و پنتا اكسيد واناديم است. اين رسوبات مذاب اكسيدهاي سطحي محافظ را تخريب مي كنند [1]. به طوري كه در اوايل دهه 1940 ميلادي خوردگي داغ به عنوان عامل اصلي تخريب توربينهاي گازي گزارش شده است [2].
اجزاء مختلف توربينهاي گازي كه در دماي بالا كار ميكنند، بايستي داراي خواص ويژهاي همچون استحكام، مقاومت به خزش و مقاومت به خستگي حرارتي يا مكانيكي باشند. علاوه بر خوردگي داغ در آنها اجتنابناپذير است [4]. بنابراين، به منظور حفاظت از زيرلايه فلزي زيرين، پوشش هاي محافظي بر روي سطح سوپرآلياژها اعمال مي شود [5]. آلياژهاي MCrAlY از مهمترين انواع مواد پوشش مورد استفاده جهت حفاظت سوپرآلياژهاي پايه نيكل از خوردگي داغ و اكسيداسيون دماي بالا مي باشند . امروزه معمولاً اين پوشش ها توسط فرآيندهاي پاشش حرارتي اعمال ميشوند. در ميان فرآيندهاي پاشش حرارتي، فرآيند پاشش شعلهاي سرعت بالا به طور موفقيت آميزي جهت ايجاد پوششهاي MCrAlY مورد استفاده قرار ميگيرد. سرعت بالاي برخورد ذرات در فرآيند HVOF امكان پاشش ذرات در حالت پلاستيك را فراهم ميكند و منجر به پوششهايي عاري از تخلخل و با تراكم بالا ميشود [6].
اما از آنجايي كه فرآيند پاشش HVOF در اتمسفر محيط انجام ميشود مواد پاشش شده در معرض مستقيم يك محيط اكسيدي در حين فرآيند پاشش هستند. بنابراين اكسيداسيون در موادي كه حساس به اكسيداسيون هستند رخ ميدهد. لاگسچيدر1 و همكارانش گزارش دادند كه پارامترهاي پاشش HVOF مانند فاصله پاشش، نسبت سوخت/ اكسيژن و نرخ تغذيه پودر نقش مهمي را در كنترل مقدار اكسيژن ايفا ميكنند. وقوع پديده ي اكسيداسيون در طي فرآيند HVOF و حضور آنها در پوشش MCrAlY مقاومت به خوردگي اين پوششها را كاهش ميدهد [7].

Ni-22%Cr-10%Al-1%Y تركيب شيميايي
10-45μm اندازه ذرات
اتميزاسيون با گاز خنثي روش توليد
7/25 g/cm3 چگالي
Sulzer-Metco شركت سازنده
NI-343 (Amdry-962) مشخصه پودر
كروي مورفولوژي پودر
Fe CoMo Cr Ni Si S PMn C عنصر
Bal. 0/01 0/08 0/14 0/17 0/22 0/01 درصد وزني 15/0 57/0 01/0
آن همانطور كه گفته شد اين قطعات در دماي بالاتحت جدول (1): تركيب شيميايي فولاد زيرلايه.
پديدههاي اكسيداسيون و خوردگي داغ قرار ميگيرند و كيفيت آنها كاهش مييابد. تاكنون آلياژهاي پايه نيكل و كبالت بهترين آلياژها براي ساخت قطعات توربين بودهاند اما حتي با بهينه
كردن تركيب شيميايي سوپرآلياژها امكان دستيابي به كليه جدول (2): مشخصات پودر مورد استفاده.
خواص مطلوب فوق وجود ندارد، به گونهاي كه اين سوپرآلياژها قادر نيستند به طور همزمان مقاومت به خوردگي داغ و استحكام دماي بالا را تأمين كنند [3- 1] و زماني كه آلياژها در دماي بالا براي مدت زماني طولاني استفاده ميشوند

در تحقيق حاضر تأثير پارامترهاي فاصله پاشش و نرخ تغذيه پودر بر رفتار خوردگي داغ پوششهاي NiCrAlY اعمال شده توسط فرآيند HVOF در نمك مذاب 5Na2SO4-60%V2O و در دماي 900 درجه سانتيگراد مورد ارزيابي قرار گرفت.

روش تحقيق
2-1- نمونه هاي آزمايش و فرآيند پوشش دهي در اين تحقيق از فولاد ساده كربني St-37 به عنوان زيرلايه جهت اعمال پوشش استفاده شد؛ كه تركيب شيميايي تعيين شده توسط كوانتومتري در جدول (1) ارائه شده است.
نمونه هاي فولادي مورد استفاده جهت پوشش دهي به شكل استوانه بوده كه قطر و ارتفاع آنها به ترتيب برابر با 25 و 40 ميلي متر انتخاب شد. از پودر NiCrAlY جهت اعمال پوشش به روش HVOF استفاده شد كه در جدول (2) به برخي از ويژگي هاي آن اشاره شده است.
جهت اعمال پوشش، از دستگاه پاشش HVOF سيستم CDS متعلق به شركت Plasma Technik ساخت كشور سوييس استفاده شد. در اين فرآيند، از اكسيژن و پروپان به عنوان گاز سوختي و نيتروژن به عنوان گاز حامل پودر (با فشار 4 بار) استفاده شد. لازم به ذكر است سرعت سيلان نيتروژن به عنوان

جدول (3): پارامترهاي متغير فرآيند پاشش.
سرعت سيلان پروپان شماره نمونه
(lit/min) فاصله پاشش
(cm) نرخ تغذيه پودر (gr/min)
1 60 20 32
2 60 25 32
3 60 30 32
4 80 30 16
5 80 30 32
6 80 30 48

گاز كمكي 50 ليتر بر دقيقه بود. براي به دست آوردن ضخامت موردنظر پوشش، بعد از اولين پاس، ضخامت پوشش اعمال شده با استفاده از ريزسنج اندازه گيري شد و با توجه به ضخامت كل پوشش، تعداد پاس ها مشخص شد. در ضمن ضخامت پوشش هاي اعمالي در محدوده 100 تا 150 ميكرومتر بود.
براي بررسي تأثير پارامترهاي پاشش بر رفتار خوردگي داغ، اعمال پوشش تحت شرايط متفاوت از لحاظ فاصله پاشش و نرخ تغذيه پودر صورت گرفت. براي تمام آزمايشها سرعت سيلان اكسيژن 300 ليتر بر دقيقه در نظر گرفته شد. پارامترهاي متغير فرآيند پاشش در جدول (3) ارائه شده است.
2-2- آزمايش خوردگي داغ
براي انجام آزمايش خوردگي داغ از روش كوره اي و مخلوط نمك با تركيب ارائه شده در جدول (4) استفاده شد.
آزمايش كوره اي به روش همدما در دماي 900 درجه سانتيگراد و براي 30 دقيقه تا 22 ساعت انجام شد. نمونه ها در مخلوطي از نمك 5Na2SO4-60%V2O داخل بوته هاي آلومينايي قرار داده شدند. ميزان متوسط نمك در هر بوته 3-4 گرم بود. بعد از تثبيت دماي كوره در دماي 900 درجه سانتيگراد بوتهها داخل كوره قرار داده شدند. بعد از گذشت سه ساعت بوتهها از كوره خارج و براي حذف نمك عمل نكرده از سطح نمونه ها، توسط آب گرم شسته شدند.

جدول (4): تركيب مخلوط نمك مورد استفاده در آزمايش خوردگي داغ.
نقطه ذوب
(درجه سانتيگراد) درصد وزني اجزاي مخلوط نمك
884 40 سولفات سديم (4Na2SO)
670 60 پنتا اكسيد واناديم (5V2O)

جهت تعيين زمان هاي لازم قرارگيري در كوره، نمونهها پس از متالوگرافي توسط ميكروسكوپ نوري مورد بررسي ريزساختاري قرار گرفتند. پس از انجام آزمايش خوردگي داغ نمونهها تحت فرآيند آماده سازي جهت متالوگرافيكي به شرح زير قرار گرفتند. جهت حفاظت پوسته و آماده سازي بهتر در مراحل بعد نمونه ها مانت سرد شدند. بعد از مانت سرد، نمونه ها پوليش شدند. پوليش نمونهها توسط سيستم پوليش اتوماتيك صورت گرفت. مشخصه هاي ساختاري و فازي پوشش ها بعد از آزمون خوردگي با استفاده از ميكروسكوپ نوري Unimet مدل Union 8799، ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM) و طيفسنجي پراكنشي انرژي توسط پرتو ايكس (EDS) مدل VEGATESCAN ساخت جمهوري چك مورد ارزيابي قرار گرفت. براي تعيين درصد فاز تيره موجود در پوشش يعني مجموع اكسيد و تخلخل از نرمافزار Image Analyzer مدل Clemex استفاده شد.
براي به دست آوردن ميزان چسبندگي پوشش به سطح از استاندارد ASTM-C633 بهره گرفته شد [8].

نتايج و بحث
بررسي اثر فاصله پاشش
3-1-1- اثر فاصله پاشش بر رفتار خوردگي داغ پوششهاي اعمالي
تصاوير ميكروسكوپ نوري نمونههاي پوششي بعد از سه و نه ساعت خوردگي در نمك مذاب 5Na2SO4-60%V2O در دماي 900 درجه سانتيگراد در شكلهاي (1) و (2) نشان داده شده است.

پوششهاي MCrAlY مقدار اكسيد موجود در پوشش يكي از عوامل مؤثر بر رفتار خوردگي داغ اين پوششها است، در نتيجه انتظار ميرود مقاومت به خوردگي خوب پوشش شماره 1 به دليل مقدار اكسيد كمتر باشد. نتايج حاصل از Image Analyzer در جدول (5) ارائه شده است. از آنجايي كه امكان اندازهگيري اكسيد و تخلخل به صورت جداگانه وجود نداشت، بنابراين فاز سياه اندازهگيري شده بيانگر مجموع اكسيد و تخلخل موجود در پوشش است.
براي تعيين اثر تغيير فاصله پاشش بر مقدار اكسيد و تخلخل موجود در پوشش به صورت كيفي از بررسي ريزساختار پوششها قبل از فرآيند خوردگي داغ و نتايج استحكام چسبندگي استفاده شد. تصاوير ميكروسكوپي از نمونهها قبل از فرآيند خوردگي در شكل (3) آورده شده است.
در شكل (3) مشاهده مي شود هر دو پوشش از يك ريزساختار لايه لايه تشكيل شدهاند. در ريزساختار پوشش ها يك ريزساختار غيرهمگن مشاهده ميشود كه در آن ها ذرات ذوب نشده، اكسيدها و نيز مقادير جزيي تخلخل ديده مي شود.
شكل (4) نتايج حاصل از استحكام چسبندگي را نشان ميدهد. لازم به ذكر است كه در تمام نمونه ها، جدايش پوشش از زيرلايه از فصل مشترك پوشش/ زيرلايه صورت گرفت.
همانطور كه از شكل (1) مشخص است پوشش نمونه با فاصله پاشش 25 سانتيمتر بعد از سه ساعت قرارگيري در محيط خورنده به طور كامل خورده شده است. اما نمونههاي پوششي با فاصله پاشش 20 و 30 سانتيمتر بعد از اين مدت زمان داراي پوشش ميباشند. همچنين با توجه به شكل (2) نمونهي پوششي با فاصله پاشش 30 سانتيمتر بعد از 9 ساعت خوردگي، مقاومت خود را از دست داده و پوشش آن به طور كامل خورده شده است و تنها نمونه پوششي با فاصله پاشش 20 سانتيمتر داراي پوشش ميباشد.
بنابراين با توجه به شكلهاي (1) و (2) ميتوان گفت نمونه پوششي با فاصله پاشش 20 سانتيمتر از مقاومت به خوردگي بهتري برخوردار است. از آنجايي كه در خوردگي داغ
114300-3112768

substrate

µm
100

ب

100
µm

لف
ا

coating

substrate

interface

ج

100
µm

coating

substra
t
e

corroded coating

substrate

µm

100

ب

100

µm



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید