در ساخت موتورهای توربین های گازی صنعتی از سوپرآلیاژهای پایه نیکل برای برآوردن نیازهای قطعات مسیر داغ توربین گازی استفاده می شود. با وجود این که این آلیاژها ظرفیت دمای بالای خوبی دارند، قطعات به شدت مستعد به آسیب حین سرویس هستند. دماهای کاری بالای موتورها باعث آسیب به قطعات در اثر خزش، خستگی و واکنش های اکسیداسیون می شود، بنابراین، به دلیل هزینه های بالای ساخت قطعات جدید از سوپرآلیاژها، معمولا تعمیر قطعات آسیب دیده از نظر اقتصادی مقرون به صرفه تر از جایگزینی کامل است. روش های اتصال دهی و تعمیر در ساخت و بازیابی قطعات آسیب دیده بسیار ضروری است. در این سری از مقالات، کاربرد سوپرآلیاژهای پایه نیکل برای توربین های گازی صنعتی با مطالعه ریزساختار سوپرآلیاژها، موضوعات جوش پذیری و پدیده ترک خوردن مرور می شود. روش های اتصال دهی/تعمیر سوپرآلیاژهای پایه نیکل با مزایا و محدودیت های هر روش برای یافتن روش مناسب در کاربردهای دمای بالا ارائه می شود.

 

1-مقدمه

 

همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، در ساخت توربین های گازی صنعتی به انواع مختلف از سوپرآلیاژها برای اطمینان از عملکرد پایدار در شرایط محیط های متخاصم (شامل دما و فشار بالا) نیاز است. مواد مورد استفاده باید خواص مکانیکی، استحکام مکانیکی عالی، سختی، انعطاف پذیری و مقاومت به خزش، اکسیداسیون و خوردگی دمای بالا داشته باشند. از سوپرآلیاژهای پایه نیکل 738IN   و 939IN معمولا به عنوان مواد کاربردی در ساخت پره های متحرک و ثابت توربین های گازی استفاده می شود. سوپرآلیاژهای پایه نیکل (Nickel-Based Superalloys) به دلیل خواص فوق العاده در بسیاری از کاربردهای توربین گازی استفاده می شوند. آلیاژهای پایه نیکل در حالت محلول جامد یا رسوب سختی به کار گرفته می شوند. برای کاربردهایی که به استحکام متوسط نیاز است، از آلیاژهای استحکام دهی شده با محلول جامد (مثل هاستلوی X) استفاده می شود. آلیاژهای رسوب سختی در کاربردهایی مثل مقاطع داغ توربین گازی کاربرد دارند.

شکل 1: موتور توربین گازی.

 

این سوپرآلیاژها با رسوب فاز γ́ (Al, Ti)3Ni و کاربیدهای نوع MC استحکام دهی می شوند.کاربرد سوپرآلیاژها در محیط های اجرائی خشن (اغلب دماهای زیاد در بخش های داغ موتورهای هوایی و توربین های تولید برق) است. این معمولا موجب آسیب های مکانیکی قطعات می شود (شکل 2) که به دلیل افزایش میزان خزش، خستگی حرارتی بالاتر، نرخ خوردگی داغ بالاتر و اکسیداسیون بیشتر در دوره زمانی طولانی تر است.

شکل 2: پارگی در پره های توربین.

 

از این رو، عملیات تعمیری جهت افزایش عمر سرویس قطعات و جلوگیری از جایگزینی آن ها لازم است، زیرا مطابق با شکل 3 گران تمام می شود. جوشکاری ذوبی، اتصال دهی نفوذی و لحیم کاری سخت جزء 3 روش اتصال دهی /تعمیر اصلی در صنعت است. جوش پذیری سوپرآلیاژهای پایه نیکل به شدت تابع مقدار آلومینیوم و تیتانیوم آن ها است. سه فرایند اتصال دهی/تعمیر در ساخت استفاده می شود، مثل جوشکاری ذوبی، اتصال دهی نفوذی و لحیم کاری سخت. با توجه به این که آن ها به شدت حساس به ترک خوردن انجمادی در منطقه ذوب و منطقه متاثر از حرارت (HAZ) حین جوشکاری یا عملیات حرارتی پس از جوشکاری هستند، جوشکاری سوپرآلیاژهای پایه نیکل رسوب سختی با مقدار آلومینیوم و تیتانیوم بیشتر مشکل تر است. اتصال دهی نفوذی و فرایند لحیم کاری سخت محدودیت های استفاده از این روش ها برای ساخت یا تعمیر قطعات بر پایه نیکل را برطرف کرده است. حین فرایند لحیم کاری سخت، بورایدهای ترد، سیلیکادها و فازهای فسفاتی پیوسته در منطقه اتصال تشکیل می شود که به خواص اتصال آسیب می زنند. برای حل مشکلات ذکر شده، فرایند اتصال دهی فاز مایع گذرا (TLP) ابداع شد و به عنوان یک روش با قابلیت اتصال دهی سوپرآلیاژهایی که به سختی جوشکاری می شوند یا جوشکاری آن ها امکان پذیر نمی باشد وارد فضای اتصال دهی/تعمیر سوپرآلیاژها شده است. این روش اتصال دهی شامل مزایای لحیم کاری سخت و اتصال دهی نفوذی است .

روش اتصال دهی فا زمایع گذرا (TLP) در P&W در دهه 1970 ابداع شده است و اولین روش لحیم کاری سخت نفوذی می باشد. عناصر کاهنده نقطه ذوب (Melting Depressant Point) موجود در  لایه میانی پُرکننده در دمای اتصال دهی به ماده پایه نفوذ می-کند. این باعث تغییر ترکیب شیمیایی در دماه لحیم سخت در منطقه اتصال می شود که سالیدوس لایه میانی وانجماد همدما را افزایش می دهد. در فرایند TLP به یک چرخه نفوذ طولانی برای رسیدن به انجمادهمدمای کامل و همگن سازی اتصال نیاز است. مکانیزم TLP محدود به درزهای باریک و ترک ها می شود. اگر یک اتصال عریض با یک آلیاژ لحیم سخت با نقطه ذوب پایین پُر شود، ترکیبات بین فلزی تُرد مثل بورایدها و سیلیکات ها در اثر تجمع عناصر کاهنده نقطه ذوب بیش از حد تشکیل می شود. علاوه بر ماهیت ترد، حضور این فازها موجب کاهش دمای ذوب مجدد اتصال و ایجاد یک مسیر برای گسترش ترک ها و کاهش مقاومت به شکست می شود.

 شکل 3: ترک های تعمیر شده در نازل ردیف اول با استفاده از فرایند لحیم کاری سخت کوره ای تحت خلا.

 

بنابراین، روش های لحیم کاری سخت درز وسیع (Wide Gap Brazing) برای تعمیر ترک های تا mm 1 عرض به منظور غلبه بر این محدودیت ها ابداع شدند. در کاربردهایی که نیاز به تعمیر قطعات توربین موتورهای هواپیما است، ترک های عریض به ندرت اتفاق می افتد، این روش ها معمولا استفاده می شود. ترک خوردن به دلیل خستگی حرارتی یکی از رایج ترین انواع آسیب های سرویس است که در قطعات بخش داغ توربین گازی مشاهده می شود. در قطعات ساختاری دمای بالا مثل موتورهای هوایی و توربین های گازی، از لحیم کاری سخت درز وسیع برای تعمیر ترک های شکل گرفته در سطح حین سرویس استفاده می شود. برخلاف لحیم-کاری سخت متداول که فقط از فلز پُرکننده استفاده می شود، در لحیم کاری سخت درز وسیع از مخلوط فلز پُرکننده و پودر اضافی استفاده می شود. پورد اضافی حین لحیم کاری سخت درز وسیع ذوب نمی شود، از این رو، نیروی موئینگی مورد نیاز برای نگهداشتن و حذف مذاب فلز پُرکننده فراهم است.