بررسی اثر پوشش فلزی بر تشکیل ترک خستگی حرارتی در سوپرآلیاژ پایه نیکل با ریزساختار انجماد جهت‌دار

فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

دوره 13، شماره 50، بهمن 1401، صفحه 81-97   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.30495/jnm.2023.31984.2008

نویسندگان

علیمحمد فاضلی تهرانی^{* 1}؛ حسن فرهنگی²

¹دانشکده مهندسی متالورژی و مواد، پردیس دانشکده های فنی دانشگاه تهران

²دانشکده مهندسی متالورژی و مواد پردیس دانشکده های فنی دانشگاه تهران

تاریخ دریافت: 14 مرداد 1402،  تاریخ بازنگری: 14 آبان 1402،  تاریخ پذیرش: 15 آبان 1402 

چکیده

چکیده
مقدمه: امروزه از سوپرآلیاژهای پایه نیکل به دلیل خواص مکانیکی بالا در قطعات داغ توربین های گاز و موتورهای هوایی استفاده می شود. این قطعات داغ حین سرویس و به دلیل نوسان های دمایی، تنش های ناشی از ارتعاش و دوران تحت مکانیزم های تخریبی نظیر خستگی دمای بالا، خستگی حرارتی و اکسیداسیون قرار می گیرند. لذا برای افزایش عمر این قطعات از روش های مختلفی استفاده می شود. استفاده از پوشش سد حرارتی فلزی و سرامیکی و نیز کاهش تعداد مرزهای دانه به کمک ریخته گری ریزساختار های انجماد جهت دار و تک بلور از جمله روش های متداول است. 
روش­: در این پژوهش اثر پوشش فلزی بر تشکیل ترک خستگی حرارتی در یک سوپرآلیاژ پایه نیکل با ریزساختار انجماد جهت دار بررسی شد. نمونه های دیسکی شکل از استوانه های ریخته شده سوپرآلیاژ با ریزساختار انجماد جهت دار تهیه شد. نیمی از نمونه ها بدون پوشش و نیم دیگر به صورت پوشش داده شده با  پودر CoNiCrAlY و به روش HVOF، تحت آزمون های خستگی حرارتی با سیکل های حرارتی یک ساعته بین دو دمای °C  400 و °C800 به تعداد 24، 48، 96، 150 سیکل قرار گرفت. آزمون ها داخل کوره  باکسی مجهز به کنترل کننده دقیق شیب حرارتی انجام شد.  پس از خارج شدن نمونه ها از کوره مذکور، تغییرات وزن آنها نسبت به حالت اولیه با دقتg ^4-10 اندازه گیری شد. از روش پراش پرتو ایکس برای شناسایی           فازها و از میکروسکوپ نوری و الکترونی روبشی مجهز به حسگر EDS برای بررسی تاثیر پوشش و اجزای ساختاری بر تشکیل ترک های خستگی حرارتی استفاده شد.
یافته ­ها: تغییرات وزن در نمونه های پوشش دار حدود 100 برابر کمتر از نمونه های بدون پوشش است. هنگام انجماد، با تشکیل ذرات کاربیدی در سوپر آلیاژ، گرادیان غلظتی عناصر آلیاژی، در فصل مشترک ذره کاربیدی و زمینه اتفاق می افتد. در نتیجه با اکسیداسیون ترجیحی عناصر آلیاژی نظیر کروم، نیکل و تیتانیوم در این فصل مشترک، فازهای سوزنی شکل اکسیدی ایجاد شدند. همزمان با نفوذ اکسیژن به سطح فاز γ’ اکسید شده و منطقه تهی از γ’ به وجود می آید. با تشکیل فازهای اکسیدی، حفرات اکسیدی و از به هم پیوستن این حفرات شیارهای ریز تشکیل می شود. گسترش ترک ها از بهم پیوستن شیارهای اکسیدی و از سطح نمونه اتفاق می افتد. در نمونه های پوشش دار با اکسید شدن آلومینیم در سطح پوشش، غلظت آلومینیم در پوشش کاهش یافته حفرات اکسیدی و ریز ترک درون پوشش ایجاد می شود. میزان فاز اکسیدی و اندازه متوسط آنها نسبت به نمونه بدون پوشش کاهش یافته است. کاهش همزمان غلظت نیکل و آلومینیم درون زیرلایه و در مجاورت فصل مشترک، باعث انحلال فاز γ' در فاز γ می شود و در نتیجه منطقه تهی از فاز γ' ایجاد می شود.
نتیجه­ گیری: مشاهده شد که با اعمال پوشش، محل تشکیل ترک از سطح نمونه به فصل مشترک پوشش و زیرلایه منتقل می شود. در نمونه های بدون پوشش تشکیل ترک به دلیل اکسیداسیون ذرات کاربیدی، شکسته شدن آنها و تشکیل حفره های اکسیدی است. در حالی که در نمونه پوشش دار با انحلال فاز γ' استحکام فصل مشترک پوشش و زیرلایه کاهش یافته و ترک در امتداد فصل مشترک تشکیل می شود.

کلیدواژه‌ها

خستگی حرارتی؛ سوپر آلیاژ؛ پوشش؛ انجماد جهت‌دار؛ نیکل

عنوان مقاله [English]

Effect of MCrAlY coating on crack formation during thermal fatigue testing of a directionally solidified Nickle based superalloy

نویسندگان [English]

Alimohammad Fazeli Tehrani¹؛ Hasan Farhangi²

¹School of Metallurgy and Materials, College of engineering, Tehran, Iran

²School of Metallurgy and Materials, College of engineering, Tehran, Iran

چکیده [English]

Abstract
Introduction: Nickle based superalloys are widely used in gas turbine components such as blades due to their excellent mechanical properties at high temperatures. These blades are subjected to extensive temperature fluctuations which induce thermal fatigue damage. In this research, thermal fatigue properties and behavior of directionally solidified Nickel based superalloy was investigated.Methods: Thermal fatigue specimens were coated with CoNiCrAlY powder using the HVOF method. Test temperature fluctuated between minimum of 400 and maximum of 800°C such that each cycle lasted for 1h. All the samples were weighted before and after the test with the precision of 10^-4g. X-ray diffraction method was used to identify oxide phases. Scanning electron microscopy was also used to study microstructure of all the samples. Elemental analysis of the microstructure was carried out by energy dispersive spectroscopy.
Findings: It was found out that oxidation was the main reason of crack formation while thermal fatigue testing. The weight change of the coated sample is 100 times less than the bare. The cracks in the bare alloy formed from the surface mainly at the interface of Carbide particles and the γ matrix, while crack formation at coating/substrate interface was found to be the preferential location in the coated samples.

کلیدواژه‌ها [English]

Thermal fatigue, Superalloy, Coating, Directionally solidified, Oxidation, Nickle, Titanium, Chromium, Oxide Voids

مراجع

1.                  Dae Won Yun, S.M. Seo, H.W. Jeong, Y.S. Yoo, The cyclic oxidation behaviour of Ni-based superalloy GTD-111 with sulphur impurities at 1100°C, Corrosion Science 90 (2015) 392–401.

2.                  N. S. Cheruvu, K. S. Chan, G. R. Leverant, Cyclic Oxidation Behavior of Aluminide, Platinum Modified Aluminide, and MCrAlY Coatings on GTD-111, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power Vol. 122, JANUARY 2000, 50-54.

3.                  Physical Metallurgy (Fifth Edition) 2014, Pages 2215-2290 22 - Physical Metallurgy of the Nickel-Based Superalloy Author links open overlay panel, R.C. Reed, C.M.F. Rae.

4.                  H Chen, X Hou, Bioxidant corrosion behaviour of CoNiCrAlY coated IN738 at 1100 °C, Corrosion Science, Volume 151, 1 May 2019, Pages 154-162.

5.                  C.R.C. Lima, J.M. Guilemany, Adhesion improvements of Thermal Barrier Coatings with HVOF, thermally sprayed bond coats, Surface & Coatings Technology 201 (2007) 4694–4701.

6.                  H. Chen, A. Rushworth, Effects of oxide stringers on the β-phase depletion behaviour in thermally sprayed CoNiCrAlY coatings during isothermal oxidation, Journal of Materials Science & Technology 45 (2020) 108–116

7.                  ASTM-E8

8.                  ASTM-E21

9.                  Vivek Ratna, D.S. Sarma, INFLUENCE OF THERMAL FATIGUE ON THE MICROSTRUCTURE OF A MScripta METALLURGICA Vol. 29, 1993, pp. 467-472.

10.              PARASKEVAS KONTIS, ZHUANGMING LI, MIKAEL SEGERSA¨LL, JOHAN J. MOVERARE, ROGER C. REED, DIERK RAABE, and BAPTISTE GAULT, The Role of Oxidized Carbides on Thermal Mechanical Performance of Polycrystalline Superalloys,

11.              YANG Jinxia, ZHENG Qi, SUN Xiaofeng, GUAN Hengrong, and HU Zhuangqi, Thermal fatigue behavior of K465 superalloy, RARE METAL, Vol. 25, No. 3, June 2006, p. 202-209.

12.              Dorota Kubacka, Martin Weiser, Erdmann Spiecker: Early stages of high-temperature oxidation of Ni- and Co-base model superalloys: A comparative study using rapid thermal annealing and advanced electron microscopy; Corrosion Science 191 (2021) 109744.  

13.              Kevin Vattappara, Vahid A. Hosseini Physical and thermodynamic simulations of gamma-prime precipitation in Haynes 282 using arc heat treatment, Journal of Alloys and Compounds Volume 870, 25 July 2021, 159484

14.              SHI Zhen-xue, LI Jia-rong, LIU Shi zhong, isothermal oxidation behavior of single crystal superalloy DD6, Trans. Nonferrous Met. Soc. China 22(2012) 534_538.

15.              Jiangdong Cao, Junsong Zhang , Ruifang Chen, Yunxia, Yinqun Hua High temperature oxidation behavior of Ni-based superalloy GH202, Materials Characterization 118 (2016) 122–128.

16.              J. Brennemana, J. Weib, Z. Sunb, L. Liub, G. Zoub, Y. Zhoua, Oxidation behavior of GTD111 Ni-based superalloy at 900 ◦C in air J. Brennemana, J. Weib, Z. Sun , L. Liub, G. Zoub, Y. Zhoua,b, Corrosion Science 100 (2015) 267–274 l. 29, pp

17.              Sadegh Pour-Ali, Reza Tavangar, Faezeh Akhtari, Seyedsina Hejazi High-temperature oxidation behavior of GTD-111 Ni-based superalloy with an ultrafine-grained surface at 900°C -472, 1

18.              A. Pfennig, B. Fedelich, Oxidation of single crystal PWA 1483 at 950°C in flowing air, Corrosion Science 50 (2008)

19.              Jingchen Li, Yuting Wu, Liang Liu, Ru Lin Peng, Jinghao Xu, Jian He, Hongbo Guo, The inhibiting effect of Re-rich layer on the interdiffusion between NiAl and Ni3Al-based superalloy and its degradation, Journal of Alloys and Compounds, Volume 957, 2023,170404,

20.              Li Zhang, M. Mahrukh, Di Wang, Xian-Jin Liao, Xiao-Tao Luo, Chang-Jiu Li, Oxidation protection dynamics of NiAl droplet by inflight in-situ carbon deoxidation during atmospheric plasma spraying for high performance NiAl coatings, Journal of Materials Processing Technology, Volume 319 2023,118088.

21.              Jibo Huang, Wen Sun, Xin Chu, Haiming Lan, Yingchun Xie, Dongdong Ye, Renzhong Huang, Effect of high temperature exposure on microstructure, mechanical and tribological properties of cold sprayed NiCoCrAlTaY coatings, Surface and Coatings Technology, Volume 462, 2023, 129466,

22.              ,خاکپور, ایمان, سلطانی, رضا, حیدرزاده سهی, محمود. تأثیر مقدار آلومینیم مخلوط سمانتاسیون پودری روی ساختار و اکسیداسیون سیکلی پوشش‌های آلومینایدی اصلاح شده با زیرکونیم. فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین, 1395; 6(شماره 23- بهار 95): 19-30.