توصيفگر ها :
پوشش NiCoCrAlY , سوپرآلياژ CMSX-4 , پاشش HVOF , ذوب سطحي ليزري , اكسيداسيون داغ
چكيده فارسي :
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.
چكيده انگليسي :
MCrAlY coatings are widely used to protect superalloy components against oxidation and corrosion in hot sections of gas turbines. In this research, the effect of laser surface melting treatment on the microstructure, morphology and hot oxidation behavior of HVOF-sprayed NiCoCrAlY coating has been investigated. For this purpose, after spraying the NiCoCrAlY coating on the CMSX-4 nickel-based superalloy substrate, the surface melting treatment on the coatings was performed by pulsed Nd:YAG laser in both single-pass and multiple-pass ways. Scanning electron microscope, energy dispersive spectroscopy, optical microscope, roughness test and microhardness test were used to evaluate the morphology, microstructure and hardness of the coatings. The results showed that the laser surface melting process is significantly effective in improving adhesion, reducing porosity, and reducing surface roughness of the coating. At a power of 70 W (scanning speed 2, 3 and 4 mm/s), about half of the depth of the coating is remelted and an almost dense structure in the upper half of the coating is achieved. At a power of 250 W (scanning speed 8, 10 and 12 mm/s), in addition to the relatively complete removal of structural porosity, surface inhomogeneities and oxide strings in the coating structure, the entire depth of the coating is remelted and the mechanical bond in the coating-substrate interface , turned into a metallurgical bond and a better adhesion between the coating and the substrate was created. At a constant scanning speed (2 mm/s), with a 40% increase in laser power from 50 to 70 W, the depth of the remelted zone increased by about 50% and the width of the remelted zone increased by about 100%. On the other hand, in constant laser power (70 W), with a 50% increase in the scanning speed from 4 to 6 mm/s, the depth of the remelted zone decreased by about 14% and the width of the remelted zone decreased by about 0.5%. Therefore, the effect of increasing the laser power in increasing the depth of the remelted zone, reducing the porosity in the coating and increasing the width of the remelted zone is more than reducing the laser scanning speed. The cross-sectional area of the single-pass remelting zone increased linearly with increasing laser power at constant scanning speed. On the other hand, by reducing the laser scanning speed at constant power, the cross-sectional area of the single-pass remelting area increased linearly. However, the effect of increasing the laser power in increasing the cross-sectional area of the remelting zone was greater than decreasing the laser scanning speed. In the laser surface melting process, the remelting zones of multiple passes were deeper than single pass. The average roughness of Ra for NiCoCrAlY coating after HVOF deposition was about 3.45 micrometers, which was reduced by about 80% after the laser surface melting process. Also, due to the high solidification rate, it led to a decrease in grain size and an increase in hardness from the interface to the coating surface by about 15%. On the other hand, the comparison of the variables of the laser surface melting process showed that, in general, at a constant laser power, the microhardness value of the coating surface increases with the increase of the laser scanning speed due to the finer dendritic structure. In order to investigate the hot oxidation behavior of the coated samples before and after laser surface melting, the isothermal hot oxidation test was performed at 1000°C for 170 hours. The results showed that the laser surface melting process significantly increases the hot oxidation resistance of NiCoCrAlY coating by improving adhesion, reducing porosity and reducing surface roughness, and reduces the growth rate of the oxide layer and the formation of a stable α-Al2O3 layer.