پایان نامه ارشد: ایجاد پوشش‌های نانوساختار برای کار در شرایط دمای بالا

دانشگاه آزاد اسلامی

واحد خمینی شهر

دانشکده مکانیک

پایان‌نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد M.Sc

در رشته مهندسی مکانیک-ساخت و تولید

عنوان پایان‌نامه

ایجاد پوشش‌های نانوساختار برای کار در شرایط دمای بالا

استاد راهنما:

دكتر فرهاد شهریاری نوگورانی

استاد مشاور:

دکتر مجید کریمیان

تابستان 1393

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

چکیده

پوشش‌های نفوذی آلومینایدی برای حفاظت از توربین‌های گازی مورد استفاده در صنایع نیروگاهی، حمل و نقل هوایی و دریایی و صنایع نفت و گاز و پتروشیمی هستند که عمدتاً توسط اکسیداسیون در دمای بالا و پدیده خوردگی داغ مورد حمله قرار می‌گیرند. در این تحقیق، به منظور استفاده از اثر عناصر اکسیژن‌دوست، چگونگی تقویت پوشش‌ نفوذی آلومینایدی با نانو ذرات اکسید زیرکونیم مورد بررسی قرار گرفته است. برای ایجاد پوشش یک لایه  نیکل و یک لایه نانوکامپوزیتی نیکل- نانو زیرکونیا، به روش آبکاری الکتریکی بر روی سوپرآلیاژ پایه نیکلی به طور جداگانه ایجاد شد و به دنبال آن فرآیند آلومینیوم‌دهی اکتیویته بالای دو مرحله‌ای صورت گرفت. ابتدا در 760 درجه سانتیگراد عملیات آلومینیوم‌دهی و سپس در دمای 1080 درجه سانتیگراد عملیات نفوذی تکمیلی به منظور تشکیل فازهای مطلوب انجام شد. مکانیزم تشکیل پوشش از طریق بررسی ریزساختار توسط میکروسکوپ نوری، میکروسکوپ الکترونی روبشی و آنالیز شیمیایی طیف‌سنجی پراکندگی انرژی ارزیابی شد. نتایج نشان داد نانو ذرات اکسید سریم به طور موفقیت آمیزی در پوشش آلومینایدی مشارکت داشته است.

واژه‌های كلیدی: هم‌‌رسوبی-آلومینیوم‌دهی-پوشش‌های نفوذی آلومینایدی-فرآیند دو ‌مرحله‌ای-اکتیویته بالا.

فهرست مطالب

1. فصل اول: مقدمه 1

1-1- مقدمه 2

2. فصل دوم: مروری بر تحقیقات انجام شده 4

2-1- ترکیب سوپرآلیاژها 5

2-2 پوشش‌های مورد استفاده در سوپرآلیاژها 6

2-3- فرآیند‌های رسوب‌دهی 7

2-3-1- رسوب‌دهی الکتریکی 7

2-4- نکات مهم در طراحی نانو کامپوزیت‌ها 12

2-4-1- پراکندگی 12

2-4-2- آرایش 12

2-4-3- ارزش اقتصادی 13

2-4-4- رسوب الکتریکی 13

2-5- فرآیند سمنتاسیون پودری برای تولید پوشش‌های آلومیناید 13

2-5-1- مزایای فرآیند سمنتاسیون پودری 15

2-5-2- محدودیت‌های فرآیند سمنتاسیون پودری 15

2-6- پوشش‌های آلومیناید بر روی نیکل و سوپر آلیاژهای پایه نیکل 16

2-6-1- پوشش‌های بدست آمده از فرآیند با اکتیویته بالای آلومینیوم 17

2-6-2- پوشش‌های تولید شده توسط فرآیندهای اکتیویته پایین آلومینیوم 22

2-6-2-2- سوپر آلیاژهای پایه نیکل 23

2-7- پیش عملیات قبل از آلومینایزینگ 24

2-8- مورفولوژی سطح پوشش‌های آلومیناید 25

2-9- سیستم‌های آلومیناساز 27

2-10- مکانیزم‌های اثر عناصر واکنشگر  در آلیاژهای آلومینا ساز 28

2-11- تاثیر عناصر واکنشگر بر پوسته آلومینا 29

2-11-1- تاثیر عناصر واکنشگر بر رشد و چسبندگی پوسته آلومینا 30

2-11-2- تقویت پیوند آلیاژ/پوسته و پدیده جدایش 30

3. فصل سوم: روش تحقیق 32

3-2- مواد اولیه و تجهیزات مورد نظر برای اعمال پوشش 34

3-2-1- آلیاژ زیر لایه 34

3-2-2- فرآیند آبکاری الکتریکی 34

3-2-2-1- مواد مورد استفاده در فرآیند آبکاری الکتریکی 34

3-2-2-2- تجهیزات مورد استفاده در فرآیند آبکاری الکتریکی 36

3-2-2-3- اعمال پوشش آبکاری الکتریکی 37

3-2-3- فرآیند پوشش‌دهی نفوذی 40

3-2-3-1- پودرهای مورد استفاده در فرآیند پوشش‌دهی نفوذی 40

3-2-3-2- تجهیزات مورد استفاده در فرآیند پوشش‌دهی نفوذی 40

3-2-3-3- اعمال پوشش نفوذی 41

3-3- مشخصه‌یابی نمونه‌ها 42

3-3-1- متالوگرافی 42

3-3-2- مشاهده ریزساختار 42

4. فصل چهارم: یافته‌های آزمایشگاهی 44

4-1- آبکاری الکتریکی نیکل 45

4-2- آبکاری نیکل نانوکامپوزیتی 45

4-3- آلومینیوم‌دهی نفوذی 48

4-4- پوشش‌های نهایی 52

5. فصل پنجم: تحلیل یافته‌ها 57
6. فصل ششم: نتیجه‌گیری و پیشنهادات 60

6-1- نتیجه‌گیری 61

6-2- پیشنهادات 62

مراجع 63

فهرست شکل‌ها

شکل 2-1 تصویر شماتیک از فرآیند آبکاری الکتریکی 9

شکل 2-2 ریز ساختار پوشش نفوذی آلومیناید داخلی بر روی udimet 700 که به وسیله فرآیند اکتیویته بالا تشکیل شده است (بزرگنمایی 1000×). 18

شکل 2-3 ریز ساختار پوشش نفوذی آلومیناید داخلی بر روی udimet 700 که به وسیله فرآیند اکتیویته بالا و سپس عملیات حرارتی (به مدت 4 ساعت در دمای 1080 درجه سانتیگراد) تشکیل شده است (بزرگنمایی 1000×). 19

شکل 2-4 ریز ساختار پوشش آلومیناید بر روی هاستلوی X که به وسیله فرآیند اکتیویته بالا و سپس عملیات حرارتی (به مدت 4 ساعت در دمای 1080 درجه سانتیگراد) تشکیل شده است (بزرگنمایی 500×). 21

شکل 2-5 تصویر شماتیک پوشش آلومیناید بر روی نیکل خالص و به روش اکتیویته پایین (نفوذ نیکل از داخل NiAl) 23

شکل 2-6 تصویر شماتیک پوشش آلومیناید بر روی نیکل خالص و به روش اکتیویته پایین (نفوذ نیکل از داخل NiAl) اولین لایه تشکیل شده  می‌باشد. 24

شکل 2-7 سطح یک پوشش NiAl اکتیویته بالا بر روی نیکل غیرآلیاژی و به وسیله پودر شامل آلیاژ 60 درصد اتمی آلومینیوم – نیکل. 27

شکل 2-8 سطح یک پوشش NiAl اکتیویته پایین بر روی نیکل غیرآلیاژی، عملیات شامل 20 ساعت آلومینایزینگ در پودر شامل آلیاژ 1/50 درصد اتمی آلومینیوم – نیکل می‌باشد. 27

شکل 2-9 پوشش آلومیناید خارجی بر روی اینکونل 738 در مخلوط پودر و شامل ذرات به دام افتاده در پوشش. سطح و یک مقطع عرضی نشان داده شده است. 28

شکل 2-10 تاثیر گوگرد بر رفتار اکسیداسیون سیکلی آلیاژهای NiCrAl با خلوص عادی در دمای 1080 درجه سانتیگراد و بهبود شرایط با افزودن ییتریم 32

شکل 3-1 نمودار گردشی مراحل انجام تحقیق 34

شکل 3-2 مشخصات پودر نانو زیرکونیا مورد استفاده در تحقیق ، الف) تصویر SEM از نانوذرات زیرکونیا، ب) تصویر TEM از نانوذرات زیرکونیا، ج) الگوی پراش پرتو ایکس نانوذرات زیرکونیا 36

شکل 3-3 ستاپ آبکاری الکتریکی مورد استفاده در حین کار 38

شکل 3-4 ریتورت حاوی مخلوط پودر پوشش‌دهی 42

شکل 4-1 مقطع پوشش آبکاری الکتریکی نیکل بر سوپرآلیاژ پایهنیکلی (حکاکی شده) 46

شکل 4-2 تصویر مقطع پوشش نانوکامپوزیتی نیکل- نانوزیرکونیا 47

شکل 4-3 تصویر میکروسکوپ SEM از مقطع پوشش آبکاری نانو کامپوزیتی نیکل- نانوزیرکونیا 48

شکل 4-4 آنالیز شیمیایی EDS پوشش نانوکامپوزیتی نیکل- نانوزیرکونیا 48

شکل 4-5 تصویر SEM از مقطع پوشش دو مرحلهای (با پارامترهای ذکر شده در جدول 3-3) بر سوپرآلیاژ پایه نیکلی دارای یک لایه آبکاری نیکل ساده 49

شکل 4-6 آنالیز شیمیایی EDS پوشش آلومیناید دو مرحلهای بر سوپرآلیاژ پایه نیکلی دارای یک لایه آبکاری نیکل ساده (منطقه A در شکل 4-5) 50

شکل 4-7 آنالیز شیمیایی EDS پوشش آلومیناید دو مرحلهای بر سوپرآلیاژ پایه نیکلی دارای یک لایه آبکاری نیکل ساده (منطقه B در شکل 4-5) 51

شکل 4-8 آنالیز شیمیایی EDS پوشش آلومیناید دو مرحلهای بر سوپرآلیاژ پایه نیکلی دارای یک لایه آبکاری نیکل ساده (منطقه C در شکل 4-5) 51

شکل 4-9 آنالیز شیمیایی EDS پوشش آلومیناید دو مرحلهای بر سوپرآلیاژ پایه نیکلی دارای یک لایه آبکاری نیکل ساده (منطقه D در شکل 4-5) 52

شکل 4-10 تصویر SEM از مقطع پوشش نهایی 53

شکل 4-11 آنالیز شیمیایی EDS پوشش نهایی (منطقه A در شکل 4-10) 54

شکل 4-12 آنالیز شیمیایی EDS پوشش نهایی (منطقه B در شکل 4-10) 54

شکل 4-13 آنالیز شیمیایی EDS پوشش نهایی (منطقه C در شکل 4-10) 55

شکل 4-14 آنالیز شیمیایی EDS پوشش نهایی (منطقه D در شکل 4-10) 55

شکل 4-15 آنالیز شیمیایی EDS پوشش نهایی (منطقه E در شکل 4-10) 56

فهرست جدول‌ها

جدول 2-1 سرعت محاسبه شده رسوب‌دهی الکتریکی فلزات. 10

جدول 3-1 ترکیب حمام واتز مورد استفاده برای آبکاری نیکل 36

جدول 3-2 پارامترهای فرآیند رسوب‌دهی الکتریکی 38

جدول 3-3 ترکیب شیمیایی مخلوط پودر استفاده شده برای اعمال پوشش‌های نفوذی منتخب 43

1. 
   فصل اول: مقدمه

• مقدمه

هدف از اعمال پوششی مناسب، بدست آوردن مقاومت دراز مدت در برابر محیط خورنده می‌باشد. پوشش‌های دمای بالا، از جمله پوشش‌هایی هستند که جهت افزایش طول عمر قطعات توربین‌های گازی از جمله پره‌ها بکار برده می‌شوند. جهت بدست آوردن راندمان بیشتر در توربین‌های گازی طبق محاسبات ترمودینامیکی لازم است که دمای گاز خروجی از پره‌ها بالاتر رود. با افزایش دما، بخاطر فعالیت بیشتر محیط و تغییرات دینامیکی در ساخت اجسام، مشکلاتی از قبیل خزش، خستگی حرارتی، اکسیداسیون و خوردگی داغ بوجود می‌آید که نیاز به توسعه و تولید مواد بهتر، وجود دارد. همچنین با توجه به اینکه با افزایش استحکام، مقاومت به اکسیداسیون و خوردگی در دمای بالا کاهش می‌یابد، سعی بر این است که بتوان ابتدا آلیاژی با استحکام بالا تولید و سپس جهت حفاظت آن‌ها در برابر عوامل ذکر شده سطوح آن‌ها را پوشش داد.

یکی از راه‌های افزایش راندمان و کارایی توربین‌های گازی، افزایش دمای ورودی می‌باشد. نیاز به افزایش دمای کاری پره‌ها، افزایش عملکرد و طول عمر اجزای مورد استفاده در توربین گازی منجر به پیشرفت تکنولوژی علم مواد شده است. این بهبود عملکرد از طریق طراحی مواد جدید و روش‌های تولید بهتر قابل دستیابی است. به این منظور توسعه سوپرآلیاژهای پایه نیکل از حالت کار گرم شده به ریخته‌گری، ریخته‌گری جهت‌دار و تک کریستال صورت گرفته است و در ادامه پره‌های پوشش‌دار جایگزین پره‌های بدون پوشش شدند.

مقاومت به اکسیداسیون پوشش‌ها در دمای بالا به دو صورت میسر می‌شود: یکی با ایجاد پوششی خنثی در برابر محیط خورنده که که با آن محیط واکنش نداده و دیگری پوشش‌هایی که با تغییر ترکیب سطح توسط یک عنصر فعال و واکنش آن با محیط، لایه ای محافظ بدست آید که بتواند سطح را در برابر محیط محافظت کند. از دسته اول پوشش‌های TBC و از دسته دوم پوشش‌های نفوذی از جمله آلومینایزینگ، کرومایزینگ و سیلیکونایزینگ را می‌توان نام برد.

روش مخلوط پودری (آلومینیوم­دهی) یک روش مهندسی نسبتا ارزان برای تشکیل پوشش­های دمای بالا است. سادگی فناوری مورد نیاز، تکرار پذیری قابل قبول و قابلیت پوشش­دهی قطعات با شکل و اندازه متنوع این روش را برای مدت طولانی در صدر فناوری­های مورد استفاده صنایع دمای بالا به ویژه توربین­ها قرار داده است.پوشش‌های نفوذی آلومینایدی با غنی کردن سطح آلیاژ از آلومینیوم بدست می‌آیند که با ایجاد اکسید آلومینیوم بر روی سطح پوشش در محیط، لایه محافظی در مقابل نفوذ اکسیژن تشکیل می‌گردد. رشد این لایه نسبت به اکسیدهای دیگر کم بوده و می‌توان با این روش آلیاژ پایه را در دماهای بالا محافظت نمود، زیرا این اکسید تا دماهای نزدیک به 1100 درجه سانتیگراد مقاوم می‌باشد.

تحقیقات وسیعی در خصوص اثر عناصر مختلف بر خواص پوشش‌های نفوذی Al ساده صورت گرفته است. اغلب این تحقیقات در مورد بهبود چسبندگی پوسته در اکسیداسیون چرخه­ای و بهبود رفتار خوردگی داغ پوشش انجام شده است. یكی از مهمترین روش‌های شناخته شده برای بهبود چسبندگی پوسته اكسیدی، اثر عناصر اکسیژن‌دوست نظیر ایتریم، سریم، هافنیم و مانند آن‌هاست. غلظت اندكی از این عناصر یا اكسید آن‌ها می‌تواند مورفولوژی لایه اكسیدی آلومینا و فصل مشترك آن با پوشش آلومینایدی را اصلاح كند و چسبندگی پوسته آلومینا به پوشش آلومیناید را به‌طور قابل ملاحظه‌ای بیفزاید. روش‌هایی که تا کنون برای وارد کردن عناصر اکسیژن‌دوست یا اکسید آنها در پوشش‌های دمای بالا مورد استفاده قرار گرفته عمدتاً آزمایشگاهی بوده و اجرای عملی آنها برای صنایع مشکل است. به عنوان نمونه می‌توان به روش‌های کاشت یونی، رسوب شیمیایی بخار و سل- ژل اشاره کرد.

در این تحقیق از یک لایه آبکاری الکتریکی (Electroplating) شده نیکل به عنوان زمینۀ نگه‌دارنده نانو ذرات سریا بهره‌گیری شد. در این روش ابتدا یک لایه ضخیم نانوکامپوزیتی به وسیله آبکاری الکتریکی نیکل در حمام حاوی نانو ذرات سریا بر سطح زیر لایه ایجاد می‌شود و در مرحله بعد پوشش نفوذی آلومینایدی با رشد درونگرا (Inward Growth)  بر مجموعه زیرلایه و لایه آبکاری الکتریکی شده اعمال می‌شود. توسعه این روش با توجه به جاافتادگی فرایندهای آبکاری الکتریکی و پوشش نفوذی در صنعت می‌تواند با استقبال مناسب صنایع دمای بالا روبرو شود. در این زمینه سابقه تحقیقات مشابه در داخل کشور بدست نیامد و نسبت به مقالات مشابه خارجی نیز در کار حاضر تفاوت‌هایی در مواد و روش‌کار وجود دارد.

تعداد صفحه : 85

قیمت : 14700تومان

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می شود.

پشتیبانی سایت :        ****       [email protected]

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

***  *** ***