رفتار اکسیداسیون پوشش های McrAlY اصلاح شده با پلاتین

چکیده:

اثرات لایه‌ی پلاتینی بر روی استحاله‌ی فازی و رفتار اکسیداسیون پوشش های McrAlY( M=Co,Ni) مورد بررسی قرار گرفت. در این مطالعه از تست های اکسیداسیون سیکلی و ایزوترمال در دمای 1100 درجه‌ی سانتیگراد مورد استفاده قرار گرفته است. ضخامت لایه‌ی پلاتینی در حد 5 میکرون بود که بر روی سوپرآلیاژ MAR M247-DS و با استفاده از یک روش آبکاری اعمال گردید. و سپس لایه‌ی McrAlY با استفاده روش های پلاسما اسپری تحت خلأ( VPS) و پلاسما اسپری اتمسفری( APS) اعمال گردید. فرایند APS اکسیدهای داخلی و حفراتی را در سطح مشترک ایجاد می کند. در روش VPS سوراخ های بوجود آمده در سطح مشترک میان لایه‌ی McrAlY و سوپرآلیاژژ مورد استفاده، کمتر هستند. اکسیدها و حفرات ایجاد شده در فرایند APS مقاومت در برابر اکسیداسیون را کاهش می دهد و این نشاندهنده‌ی این است که این اکسیدها و سوراخ ها در طی تست های اکسیداسیون به آلومینا تبدیل شده اند. لایه‌یPt دارای مزیت خوب و تطابق خوبی با نیکل می باشد. این ماده با عناصر کروم و کبالت میل ترکیبی خوبی ندارد. در نتیجه فاز تشکیل می شود. لایه‌ی Pt باعث کاهش نفوذ عناصر محلول می شود و بنابراین نقطه‌ی تقلیل( deplete zone) سوپرآلیاژ کاهش می یابد. فرایند VPS مقاومت اکسیداسیون پوشش McrAlY را افزایش می دهد و استحکام پیوند نمونه‌ی بدست آمده از آن بالاترست. این روش باعث بوجود آمدن ریزساختاری هموژن در پوشش می شود و عیوب کمتری بوجود می آورد.

مقدمه

مواد مورد استفاده در کاربردهای دما بالا مانند توربین های صنعتی و هوایی، باید دارای استحکام بالا، پایداری ریزساختاری مناسب، و مقاومت به خوردگی بالا، در دمای بالا باشند. تحت یک چنین شرایط سخت کاری، این مشکل است که بتوان یک قطعه‌ی با ویژگی مکانیکی و مقاومت به خوردگی مناسب تولید کرد. تلاش های فراوانی هم اکنون به منظور تولید پوشش های مقاوم به خوردگی در دمای بالا در حال انجام است. پوشش های آلومینایدی به طور گسترده برای محافظت آهن، سوپرآلیاژ های بر پایه‌ی کبالت و نیکل، در دمای بالا مورد استفاده قرار گرفته است. فرایندهای مرسوم برای تولید پوشش آلومیناید مانند سمنتاسیون فشرده( pack cementation) و رسوب دهی شیمیایی از حالت بخار می باشد. رسوب دهی موضعی اجزای آلومینیزه شده اغلبا با استفاده از غوطه وری در دوغاب مایع انجام می شود. این فرایند می تواند به عنوان جایگزینی برای دو روش گران قیمت بالا، مورد استفاده قرار گیرد. در بسیاری موارد آلومینیزاسیون دوغابی می تواند مزیت هایی را در فرایند داشته باشد و از لحاظ سادگی و صرفه‌ی اقتصادی روش مناسبی است.
اخیرا پوشش های آلومیناید شده‌ی اصلاح شده با Pt مورد بررسی قرار گرفته اند و ویژگی های ضد خوردگی و اکسیداسیون خوبی در دمای بالا از خود نشان دادند( در مقایسه با نمونه های آلومینیزاسیون شده‌ی معمولی). وجود پلاتین در پوشش آلومیناید چسبندگی رسوبات آلومینا تشکیل شده برروی زیرلایه را در دمای بالا، افزایش می دهد و در نتیجه مقاومت به خوردگی آن را افزایش می دهد. یک لایه‌ی پلاتین بر روی زیرلایه‌ی سوپرآلیاژ معمولا بوسیله‌ی روش آبکاری ایجاد می گردد. این لایه‌ی سپس بوسیله‌ی عملیات حرارتی تحت اتمسفر محافظتی نفوذ می کند. نفوذ داخلی میان لایه‌ی Pt و زیرلایه در طی عملیات حرارتی باعث تشکیل یک لایه‌ی نفوذی می شود. در نتیجه نمونه های پوشش کاری شده و عملیات حرارتی شده، بوسیله‌ی تکنیک سمنتاسیون فشرده، آلومینیزه شده، تا پوشش نهایی تشکیل گردد. در طی چند سال گذشته تحقیقات زیادی در زمینه‌ی جنبه های مختلف پوشش های آلومیناید-پلاتین مانند ریزساختار آن، انجام شده است. برای مثال این نشان داده شده است که عملیات نفوذی پیش از پوشش دهی نهایی دارای اثر خوبی بر روی ریزساختار پوشش های آلومیناید-پلاتین دارد.
سوپرآلیاژهای پایه نیکل به طور گسترده در توربین های مورد استفاده در هواپیما و در کاربردهای زمینی مورد استفاده قرار می گیرد. علت استفاده از این مواد داشتن میکروساختار مناسب در طی زمان است. به دلیل استفاده از این مواد در محیط های خورنده، این ضروری است که با استفاده از یک پوشش این مواد را محافظت کرد. برای بهبود مقاومت به خوردگی و افزایش عمر مفید اجزای تولیدشده از سوپرآلیاژ در دمای بالا، یک پوشش محافظ را باید با استفاده از یک تکنیک معین بر روی سوپرآلیاژ پوشش داد. بسیاری از روش های پوشش دهی مانند روش سمنتاسیون فشرده پلاسما اسپری و روش های رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار، به طور گسترده برای تولید پوشش های مختلف مورد استفاده قرار گرفته است و پوشش های تولید شده در کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار گرفته است.
هدف اصلی تحقیق حاضر بررسی کارایی پوشش های با پوشش پلاتین اولیه بر روی استحاله های فازی و رفتار اکسیداسیون پوشش های McrAlY در محیط های اکسیداسیون سیکلی و ایزوترمال است. پوشش McrAlY هم بر روی سوپرآلیاژهای با پوشش پلاتین و هم بدون پوشش پلاتین اعمال گردید. این پوشش با روش های مختلف پلاسما اسپری بر روی سوپرآلیاژ پوشش داده شد و سپس تست های اکسیداسیون سیکلی و ایزوترمال در دمای ℃ 1100 انجام گردید تا بدین وسیله اثر پوشش پلاتین بر روی رفتار اکسیداسیون دما بالای پوشش های McrAlY مورد بررسی قرار گیرد. تغییرات ریزساختاری با رفتار اکسیداسیون با توجه به افزایش مقاومت خوردگی سوپرآلیاژ مورد بررسی قرار گرفت.

بخش عملی

سوپرآلیاژ پایه‌ی نیکل ( MAR M247LC-DS) با ابعاد 20 در 50 میلی متر به عنوان زیرلایه مورد استفاده قرار گرفت. جزییات عملی برای تست های اکسیداسیون در شکل 1 نشان داده شده است. دو فرایند مختلف پلاسما اسپری( APS و VPS) برای اعمال پوشش های MCrAlY مورد استفاده قرار گرفت. دو نوع نمونه آماده سازی شد و تست های لازمه بر روی آنها انجام شد تا بدین وسیله اثر پوشش پلاتین اولیه بر روی رفتار اکسیداسیون پوشش MCrAlY مورد بررسی قرار گیرد. یک گروه از نمونه با پوشش پلاتین و دیگری بدون پوشش پلاتین بود. این نمونه ها در چند مرحله آماده می شوند: ابتدا ابکاری پوشش پلاتین بر روی آنهاست. دوم عملیات حرارتی نفوذی تحت خلا با استفاده از فرایند APS و VPS است.
جدول 1 و 2 ترکیب شیمیایی زیرلایه و پودر پوشش های اعمال شده با روش های پلاسما اسپری آورده شده است. تست های اکسیداسیون ایزوترمال برای 25، 50 و 100 ساعت در دمای انجام شد. نمونه ها پس از عملیات حرارتی وپوشش دهی، در یک کوره‌ی اتمسفری قرار گرفتند. علاوه براین تست های اکسیداسیون سیکلی در یک کوره‌ی جعبه ای با دمای 1100 درجه انجام شد. زمان توقف در این تست ها 15 دقیقه برای 500 سیکل بود که فاصله‌ی زمانی 50 سیکل بود. دمای نمونه پس از سرد کردن در هوا به مدت 5 دقیقه تقریبا 350 درجه بود. تمام تست ها حداقل 5 بار تکرار شدند. تغییرات ریزساختاری و استحاله های فازی پوشش های MCrAlY با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی بررسی گردید. نقشه‌ی خطی عناصر موجود در پوشش و لایه‌ی نفوذی با استفاده از اسپکتروسکوپ تفرق انرژی بدست آمد. استحکام پیوند با توجه به استاندارد ASTM C633-79 اندازه گیری گردید.

نتایج و نتیجه گیری

شکل 2 و 3 تصاویر سطح مقطع نمونه ها پس از تست های ایزوترمال و اکسیداسیون سیکلی نشان داده شده است. در این تصاویر لایه‌ی سطحی پوشش های MCrAlY در حالتی که پوشش پلاتین وجود دارد و در حالتی که پوشش پلاتین وجود ندارد، نشان داده شده است. تصاویر به طور واضح نشان می دهد که روش VPS ریزساختار متراکم تری نسبت به روش APS ایجاد می کند. ریزساختار تولید شده با روش APS دارای عدم هماهنگی مولکولی است. این مسئله در شکل 3a و 3b دیده می شود، اگرچه پوشش پلاتینی ایجاد شده به نسبت نازک است. شکل 4 همچنین نشاندهنده‌ی ایجاد یک پیوند خوب و جهت گیری مناسب در لایه‌ی پوشش داده شده با روش VPS در نمونه‌ی با پوشش پلاتینی است. ضخامت پوشش 120 تا 126 میکرون است( وقتی پوشش MCrAlY بر روی سطوح دارای پوشش پلاتینی ایجاد گردد)؛ در حالی که پوشش MCrAlY بدون پوشش پلاتینی دارای صخامت کمتری ( 110 تا 115 میکرون) است. پوشش پلاتین 5 میکرونی در زی عمیات حرارتی در دمای 1020 درجه در سوپرآلیاژ نفوذ کرده و کارایی را بهبود می بخشد. سوراخ ها یا اکسیدها در داخل سطح مشترک پوشش و زیرلایه های نمونه های بدون پوشش پلاتینی مشاهده می گردد اما این عیوب در نمونه های با پوشش پلاتینی مشاهده نگردیده است. همچنین فرایند VPS سوراخ های کمتری تولید می کند. بنابراین مقاومت به اکسیداسیون پوشش های MCrAlY تولید شده با روش APS به دلیل بوجود آمدن حفرات داخلی و وجود اکسیدها کاهش می یابد. و این نشاندهنده‌ی این است که اکسیدها و حفرات اجزای آلومینایی را در طی تست های اکسیداسیون انتقال داده اند.
استحکام پیوند نمونه های پوشش داده شده با روش APS که در آنها پوشش پلاتینی بکار رفته است، بالاتر از نمونه های بدون پوشش پلاتینی است( این مسئله در شکل 4c، 4d دیده می شود). مقادیر بدست آمده به ترتیب در حدود 10 تا 24 مگا پاسکال است. به دلیل اینکه پیوند مکانیکی کاملی در میان پوشش پلاتینی و پوشش MCrAlY وجود دارد، استحکام پیوند نمونه های تولید شده با روش VPS (شکل 4a و 4b) بیشتر از نمونه های تولید شده با روش APS است. ریزساختار هموژن و عیوب تولید کمتر مانند سوراخ های سطح مشترک و اکسیدهای داخلی نیز استحکام پیوند پوشش MCrAlY تولید شده با روش VPS را افزایش می دهد. بنابراین این واضح است که پوشش پلاتینی و روش VPS نقش مهمی در مقاومت به خوردگی دما بالای ایفا می کنند.
شکل 5 تصاویر الکترون بازگشتی و آنالیز EDS پوشش های MCrAly ی دارای پوشش پلاتینی را پس از تست های اکسیداسیون ایزوترمال در دمای ℃ 1100 و زمان 25 ساعت را نشان می دهد. غلظت عناصری مانند نیکل، کروم، آلومینیوم و کبالت در شکل 5 آورده شده است. در طی رسوب دهی فاز بتا، حلالیت کروم و کبالت واقعا کاهش می یابد، در حالی که حلالیت عنصر آلومینیوم افزایش می یابد. و این نشاندهنده‌ی این است که فاز β-NiAl تشکیل شده است. ناحیه‌ی غنی از پلاتین به عنوان فاز بتای در نظر گرفته شده است و حضور پلاتین و یا لایه‌ی آن بر روی سطح، پیش از پوشش دهی MCrAlY مانعی در برابر نفوذ آلومینیوم نبوده است. فاز β-(Ni,Pt)Al مقاومت در برابر اکسیداسیون پوشش را افزایش می دهد زیرا در دمای بالا، مقاومت به خوردگی فاز بتا β-(Ni,Pt)Al بهتر از فاز β-NiAl است. بنابراین، این واضح است که حضور عنصر پلاتین و یا لایه‌ی آن کارایی اکسیداسیون پوشش های آلومیناید نفوذی را بهبود می دهدو که دلایل این موضوع به خاطر وجود پلاتین می باشد.
این نتایج نشان می دهد که عنصر پلاتین و یا وجود لایه‌ی پلاتینی بر روی سطح، قبل از پوشش دهی، استحکام کوهیرنت را افزایش می دهد و لایه‌ی ضخیم تری بر روی زیرلایه بوجود می آورد. این فهمیده شده است که برای یک گروه از شرایط استحاله‌ی فازی، نیکل بوسیله‌ی نمونه برچیده می شود که این موضوع به میزان فعالیت آلومینیوم بر روی سطح بستگی دارد. مقدار پایین تر این فعالیت موجب می شود تا مقدار انتقال آلومینیوم از بخش پلاتینی، بیشتر شود. این واضح است که فعالیت سطحی پوشش MCrAlY به جایگزینی فازی لایه‌ی سطحی پوشش بستگی دارد. همچنین پوشش ایجاد شده بر روی زیرلایه، پیش از پوشش دهی نشان می دهد که حضور پوشش پلاتینی باعث افزایش مقدار برداشت آلومینیوم در طی استحاله‌ی فازی بوجود آمده در ماده‌ی پوشش داده می شود. بنابراین این مسئله را می توان فرض کرد که پلاتین در پوشش های Pt-Ni-Al باید فعالیت سطحی آلومینیوم را کاهش دهد و باعث گردد تا نیروی محرکه‌ی بیشتری برای ایجاد مانع در برابر نفوذ آلومینیوم از فاز بخار و در طی فرایند، ایجاد گردد. تراکم پوشش Pt-Ni-Al باعث ایجاد استحکام چسبندگی بیشتر می شود که این موضوع در تشکیل پوشش اولیه بوسیله‌ی نفوذ ذاتی آلومینیوم از ماده‌ی پوشش (در داخل زیرلایه)، قابل انتظار است. سه ساختار لایه ای خاص در هر دو پوشش MCrAly که با دو روش APS و VPS تولید شده اند( پس از حرارت دهی)، در شکل 2 و 3 نشان داده شده اند. لایه‌ی بیرونی پوشش( فاز گاما پرایم) دارای رسوبات ریزی است که می تواند در طول لایه‌ی میانجی رسوب( فازهای بتا بعلاوه‌ی گاما پرایم) دیده شوند. بر اساس نتایج بالا لایه‌ی دارای پلاتین دارای نیروی محرکه در برابر برداشت آلومینیوم و نیکل است که این مزیت برای مقاومت در برابر خوردگی مفید می باشد. حضور پوشش پلاتینی باعث می شود تا مقاومت به اکسیداسیون سیکلی آن در دمای بالا، بهبود یابد. و یک مقدار مینیمم از پلاتین در پوشش به منظور بوجود آمدن اثرات مفید آن، ضروری است. با توجه به مشاهدات، این همچنین پیشنهاد داده شده است که مقدار قابل قبول برای بوجود آوردن یک ویژگی خوب در پوشش های Pt-Ni-Al ایجاد شده بر روی سوپرآلیاژ ، استفاده از پوشش پلاتینی به ضخامت 5 میکرون است. بنابراین اثرات اشاره شده در بالا به دلیل حضور فاز قابل توضیح می باشد.

نتیجه گیری

اثرات پوشش پلاتینی اولیه بر روی تغییرات ریزساختاری و رفتار مقاومت به خوردگی سیکلی و ایزوترمال پوشش MCrAlY مورد بررسی قرار گرفت. پوشش MCrAlYبا روش APS و VPS بر روی سوپرآلیاژ پوشش داده شد. نتایج نشان می دهد که عیوب فرایندی و تشکیل اکسیدهای اضافی و حفرات با استفاده از پوشش Pt برروی زیرلایه، کاهش می یابد و استحکام پیوند بالا می رود. فرایند VPS نسبت به فرایند APS، استحکام پیوند بالاتری را ایجاد می کند و همچنین مقاومت به خوردگی پوشش تولید با این روش در دمای بالا بیشتر است؛ که این مسئله به دلیل تشکیل یک پوشش با هموژنیتی بیشتر و کاهش نقطه‌ی تقلیل در سوپرآلیاژ بوجود می آید. بنابراین پوشش های MCrAlY تولید شده با روش VPS و دارای پوشش اولیه‌ی پلاتینی، ویژگی مقاومت به خوردگی و اکسیداسیون بهتری از خود نشان می دهند و استحکام پیوند در این مواد بیشتر از نمونه هایی است که با روش APSتولید شده است.
استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون بلامانع می باشد.