فهرست مطالب:
بروزرسانیشده در فروردین 6, 1401
پوشش سد حرارتی (Thermal Barrier Coating)
معرفی و تاریخچه
در قطعات مکانیکی که دمای کار آنها به شدت بالاست برای جلوگیری از پدیده ی خزش و خستگی بسیار زود هنگامی که بخاطر وجود دمای بالا ایجاد میشود از پوشش های محافظی به نام پوشش سد حرارتی که به آن اختصارا TBC گفته میشود استفاده میکنند.این پوشش ها معمولا چند لایه هستند که هر لایه قسمتی از خواص مورد نظر ما را تامین میکند.
برای اولین بار محققان مکزیکی با استفاده از ماده موجود در خاکستر، موفق به ساخت نانو پوشش کامپوزیتی شــدند که در برابر دماهای بالا مقاوم بود. این پوشــش میتواند در صنعــت هوا و فضا و توربینهای هوایی(همانطور که میدانیم دمای گاز های ورودی به توبین ها بسیار بالاست و پره های توربین تحت حملات شدید مکانیکی قرار دارند؛ این درجه حرارت بالا شرایط را برای خستگی و خزش فراهم میکند.) راهگشا باشد. دما در این نواحی به بالای هزار درجه ســانتیگراد میرسد که موجــب بروز زوال میکروســاختاری در این توربینها میشــود. این زوال در نهایت منجر به تغییر خواص گرمایی و مکانیکی توربین شــده و کارایی انــرژی در توربین را کاهش میدهد.این پوششها در تولید قطعات حساس صنعتی از جمله در صنایع هوا فضا جهت ساخت عایقهای حرارتی، بدنههای مورد استفاده در شرایط مافوق صوت و ناپایدار، توربینهای گازی، ابزار برش و بوتههای نگهداری فلز مذاب کاربرد دارند.
در این پــروژه محققان به دنبال ســاخت مواد پیشرفته مبتنی بر نانوکامپوزیت بودند که بتواند ساختار ســوپر آلیاژ را محافظت کند. برای این کار پژوهشگران از خاکسترهای سرامیکی حاوی نانــوذرات مختلف برای ســاخت نانوکامپوزیت استفاده کردند. میتوان از موالیت نیز اســتفاده کرد، موالیت مــاده موجــود در خاکســتر اســت که پایــداری حرارتی و شــیمیایی بالایی دارد. موالیت تا پیش از این به عنوان یکــی از پســماندهای صنعتی و عامل آلودگی محیط زیســت شناخته میشد.
(همانطور که میدانیم دمای گاز های ورودی به توبین ها بسیار بالاست و پره های توربین تحت حملات شدید مکانیکی قرار دارند؛این درجه حرارت بالا شرایط را برای خستگی و خزش فراهم میکند.)
در توربین ها بوسیله ی روش های مختلفی به کاهش دما و کاهش نرخ انتقال حرارت به پره ها میپردازند؛ از جمله ی این روش ها میتوان دمش هوای سرد فشرده به کناره ی پره های توربین را نام برد که مشکلات جانبی خود را به همراه دارد که در اینجا مورد بحث ما قرار نمیگیرد.
امروزه با توجه به نیاز صنعت برای افزایش بازده و عمر مفید توربین ها مهندسان به دنبال ماده ای به عنوان پوشش هستند که شرایط زیر را داشته باشد :
- نقطه ی ذوب بالا
- نرخ انتقال حرارت پایین
- ضریب انبساط دمائی بسیار بالا شبیه به ماده ی سازنده ی تیغه (به منظور انبساط و انقباض هم اندازه)
- سبک بودن این پوشها برای کاهش جرم لَنگی تیغه ها
- چسبندگی بالا به سطح فلز
- عدم تمایل به واکنش شیمیائی و اکسیداسیون
- تلرانس کرنشی پائین
- پایداری فاز
مهم ترین نیاز برای یک پوشش سد حرارتی، پایین بود هدایت حرارتی آن است. بهترین ماده ی در دسترسی که این شرایط را براورده سازد سرامیک ها و به خصوص زیرکنیا است.
سرامیک ها ترکیباتی میان عناصر فلزی و غیر فلزی هستند؛ اغلب اوقات سرامیک ها شامل اکسید ها، نیترید ها و کاربید ها هستند. برای مثال، برخی از مواد سرامیکی متداول شامل اکسید آلومینیوم (یا آلومینا Al2O3) ، دی اکسید سیلیسیم (یا سیلیکا SiO2 ) و نیترید سیلیسیم (Si3N4) سرامیک های تجاری اند که از مواد معدنی رسی مثل لعاب، سیمان و شیشه تشکیل شده اند. با در نظر گرفتن رفتار مکانیکی، مواد سرامیکی نسبتا سفت و محکم هستند و سختی و استحکام آنها با فلزات قابل مقایسه است. همچنین سرامیک ها معمولا بسیار سخت اند.
یک مشکل
سرامیک ها تا اینجای کار برای این هدف بسیار مناسب بودند اما ویژگی نامطلوبی که سرامیک ها دارند رسانایی قوی یونی است؛ این رسانایی سبب میشود تا لایه ی زیرین که فلز سازنده ی پره های توربین است به شدت اکسید شود و خواص مکانیکی خود از جمله استحکام خود را از دست بدهند و از طرف دیگر چسبندگی لایه ی سرامیکی به لایه ی زیرین به علت اکسید شد مادده ی چسبنده کاهش یابد و سرامیک ها بصوررت تکه تکه کنده شوند.
مهندسان برای مرتفع نمودن این مشکل از یک لایه ی آلومینیوم بین لایه ی سرامیک و فلز سازنده ی پره های توربین استفاده میکنند. این لایه ی آلومینیوم به اکسید آلومینیوم تبدیل شده که دارای 2 ویژگی بسیار مطلوب و منحصر به فرد است:
- آلومینیوم اکسید دارای ضریب انتقال حرارت پایین است و به نوبه ی خود به عنوان یک عایق سد حرارتی عمل میکند.
- آلومینیوم اکسید ناررسانای یونی است و از رسیدن یون ها به زیر لایه ها جلوگیری میکنید.
نحوه ی پوشاندن سطح (پوشش سد حرارتی)
در این پوشش به دلایل متالورژیکی نیاز به پاشش پلاسمایی داریم.
پلاسما یک گاز تحریک شده است که اغلب به عنوان حالت چهارم ماده شناخته می شود و بر اثر یونیزه شدن گاز که معمولا در این فرآیند آرگون و ترکیبی از گاز های نیتروژن و هیدروژن است، بوجود می آید. این روش از پر استفاده ترین روش ها در صنعت می باشد که علت آن سرعت بالای پوشش دهی باشد در واقع پلاسما اسپری روش مناسب برای ایجاد پوشش های دیر گداز و مقاوم به سایش و خوردگی با کیفیتی مناسب می باشد و به عنوان مثال از آن برای پوشش دهی انواع سرامیک ها بر روی غلطک ها استفاده می گردد و عملکرد آن به این صورت است که تفنگ پلاسمایی متشکل از یک آند مسی به صورت آبگرد و یک کاتد تنگستنی و نازل مواد پوشان می باشد.
طرز کار به این صورت است که ابتدا اختلاف پتانسیلی بین آند و کاتد برقرار شده و سپس گاز بین آند و کاتد یونیزه شده و با برقراری جریان برق گاز به شدت گرم می گردد و حجم آن اضافه می شود در این حال گاز با فشار از دهانه تفنگ خارج شده که اگر ماده پوشان به صورت پودر باشد ذرات ماده پوشان در دهانه خروجی تفنگ به درون شعله تغذیه می گردد و اگر به صورت سیم باشد از عقب تفنگ و به کمک چند غلطک وارد قسمت پلاسما می گردد پس از ورود ذرات به درون شعله پلاسما این ذرات بر حسب اندازه ای که دارند ذوب و یا نیمه مذاب می شوند و با سرعت بر روی سطح زیر لایه برخورد می کنند تا پوشش تشکیل شود.
در این روش انواع مختلف پودر مواد پیشرفته نظیر پودرهای سرامیکی، سرمتی، بین فلزی و … در درجه حرارت بین 10 تا 20 هزار درجه سانتیگراد ذوب و توسط گاز حامل به طور یکنواخت بر سطح قطعه پاشیده می شوند، با این حال سطح قطعه چندان گرم و دچار تنشهای گرمایی نمی شود. به این ترتیب سطحی با پوشش یکنواخت و دارای چسبندگی و کیفیت بسیار عالی ایجاد خواهد شد و مقاومت قطعه را در برابر عوامل فرسودگی محیطی چندین برابر افزایش خواهد داد. از مزایای این روش محدوده وسیع پوششهای قابل اعمال و همچنین کیفیت بسیارخوب این پوشش ها پس از پاشش می باشد ولی هزینه بالا و احتمال اکسید شدن پودر بدلیل دمای بسیار بالای فرآیند از معایب این روش هستند.
ویدیو پوشش سد حرارتی (Thermal Barrier Coating)
مراجع اصلی: Callister's Materials Science and Engineering Book تخمین عمر باقیمانده خزشی پرههای توربین IN گازی ساخته شده از سوپرآلیاژ پایه نیکل 792 (ابوالفضل کریمی کارشناس ارشد)
1 دیدگاه
عالی بود