این مطالعه با هدف پدیده لایه برداری پوشش سد حرارتی تیغه های توربین در حال کار موتور در حین اجرای آزمایشی، از طریق مشاهده ماکروسکوپی، تجزیه و تحلیل مورفولوژی میکروسکوپ الکترونی روبشی و تجزیه و تحلیل ریز مولفه های طیف انرژی، به علت ریشه ای لایه برداری پوشش در حین استفاده از محصول پی برد. با نتایج بررسی کل فرآیند، و ارائه پیشنهاداتی برای بهبود فناوری پردازش قطعات بعدی.
پوشش سد حرارتی رسوب بخار فیزیکی پرتو الکترونی (EB-PVD) به طور گسترده در تیغه های موتورهای هوا استفاده می شود و به یک فناوری کلیدی ضروری برای تیغه های موتورهای هوا تبدیل شده است. فناوری EB-PVD فناوری است که از یک پرتو الکترونی با چگالی انرژی بالا برای گرم کردن مواد برای تبخیر شدن به یک بوته خنک شده با آب در محیط خلاء استفاده می کند، به طوری که به حالت گازی شدن مذاب می رسد و به زیرلایه تحت عمل تبخیر می شود. یک میدان مغناطیسی منحرف کننده برای متراکم شدن به یک پوشش. انواع مختلفی از سازه های پوشش سد حرارتی EB-PVD از جمله ساختار دو لایه، ساختار گرادیان و ساختار چند لایه وجود دارد که بیشترین استفاده از آن ها پوشش مانع حرارتی دو لایه است. پوشش مانع حرارتی دولایه از یک لایه رویی سرامیکی و یک لایه اتصال فلزی تشکیل شده است. لایه سرامیکی عمدتاً نقش عایق حرارتی را ایفا می کند و لایه اتصال فلزی عمدتاً نقش کاهش عدم تطابق انبساط حرارتی بین ماتریس و لایه سرامیکی و بهبود مقاومت ماتریس در برابر خوردگی اکسیداسیون با دمای بالا را ایفا می کند. در محیط کاری واقعی، رابط بین لایه پیوند و لایه سرامیکی یک لایه اکسیدی تشکیل می دهد که جزء اصلی آن -Al2O3 است، بنابراین از انتشار بیشتر عناصر O در پوشش جلوگیری می کند. چالش اصلی استفاده از پوشش های مانع حرارتی، دوام پوشش، به ویژه مقاومت پوشش در برابر پوسته پوسته شدن است که تحت تأثیر عوامل زیادی مانند وضعیت تنش در لایه سرامیکی، ریزساختار لایه پیوند، ضخامت است. و وضعیت تنش لایه TGO و مقاومت در برابر شکست رابط های مختلف بین لایه پیوند و TGO. در حال حاضر، مشخص شده است که اکسیداسیون لایه پیوند عامل کلیدی برای تعیین عمر پوشش مانع حرارتی است.
1. فرآیند تست و نتایج
1.1 مشاهده ماکروسکوپی مورفولوژی پوسته پوسته شدن پوشش
9 ساعت پس از آزمایش موتور، مشخص شد که پوشش روی سطح تیغه کار پوسته می شود و ناحیه پوسته شدن بیش از الزامات استاندارد است. مورفولوژی کلان آن در شکل 1 نشان داده شده است.
1.2 تجزیه و تحلیل مقایسه ای پوشش قبل و بعد از استفاده
به منظور تجزیه و تحلیل بیشتر علل لایه برداری پوشش برگ، برگ های سرویس با برگ های جدید همان دسته مقایسه شد و اجزای پوشش و ریزساختار نوک تیغه ها و قسمت های میانی هر برگ با توجه به برگ مقایسه و تجزیه و تحلیل شد. موقعیت های نشان داده شده در شکل 2.
1) مقایسه مورفولوژی ماکرو برگ. تیغه سرویس و تیغه جدید مقایسه و مشاهده شدند و مورفولوژی در شکل 3 نشان داده شده است. لایه برداری پوشش تیغه سرویس عمدتاً در لبه ورودی و لبه خروجی تیغه در نزدیکی نوک تیغه متمرکز شده است.
2) تجزیه و تحلیل ترکیب شیمیایی. از نوک تیغه و وسط بدنه تیغه نمونه برداری شد و پس از موزاییک داغ نمونه های متالوگرافی تهیه شد. با توجه به قطعات تشخیص نشان داده شده در شکل 2، اجزای پوشش در هر قسمت از تیغه توسط طیف انرژی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. نتایج نشان داد که محتوای عنصر اصلی در لایه زیرین برگ های پوست کنده اساساً با همان دسته از برگ های نصب نشده یکسان است، اما تفاوت آشکاری در محتوای عنصر اصلی در لایه سطحی وجود ندارد.
3) تجزیه و تحلیل مورفولوژی پوشش. نمونه های متالوگرافی با میکروسکوپ الکترونی روبشی مشاهده شد و نتایج در شکل 4 نشان داده شده است. از شکل مشاهده می شود که لایه زیرین تیغه که در آن روکش جدا می شود دست نخورده است و مقداری بافت لایه سطحی در قسمت پایینی آن باقی مانده است. لایه. پوشش از ریشه کریستال ستونی لایه سطحی شکسته شده است و حدود 1 میکرومتر لایه TGO بین لایه سطحی و لایه زیرین وجود دارد. علاوه بر این، ساختار پوشش کامل در موقعیتهای مختلف تیغه مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت و مورفولوژی میکروسکوپی از لبه ورودی تا لبه اگزوز در بخش میانی تیغه مشاهده شد. در لبه ورودی بخش میانی تیغه، کریستال استوانهای لایه سطحی در امتداد ریشه ترک خورده است، که نشان میدهد پوشش از نوک تیغه شروع به کنده شدن میکند و شکستگی تا وسط تیغه گسترش مییابد. . از سوی دیگر، ساختارهای کریستالی ستونی لایه سطحی در پشت برگ و لبه اگزوز به صورت خوشه ای در کنار هم قرار گرفته اند، نه در یک توزیع پر، فاصله بین کریستال های ستونی مشخص نیست و ریشه کریستال ستونی شل تر از نوک
میکروسکوپ الکترونی روبشی روی موقعیتهای مختلف تیغههای حذفشده یک دسته انجام شد و نتایج در شکل 5 نشان داده شد. . انتهای بالایی کریستال ستونی به طور متراکم توزیع شده است و ساختار لایه سطحی توسط لایه های روی هم تشکیل می شود. یک لایه TGO آشکار بین لایه سطحی و لایه زیرین وجود دارد و ضخامت آن حدود 1μm است. وجود لایه TGO بین لایه باندینگ و لایه سرامیکی روی تیغه نشان می دهد که در هنگام رسوب لایه سرامیکی، مقدار مشخصی O در کوره وجود دارد که باعث تشکیل لایه TGO و درجه خلاء می شود. کوره ممکن است الزامات استاندارد را برآورده نکند، به طوری که لایه TGO ابتدا در محل اتصال لایه زیرین و لایه سطحی تشکیل می شود. در همان زمان، ترک سرامیکی سطح در امتداد کریستال ستونی نیز در نوک تیغه وجود دارد.
فرآیند پوشش سد حرارتی تیغه به شرح زیر است: پیش تصفیه سطح تیغه → پایه رسوب دهی یونی چند قوس → انتشار خلاء → تمیز کردن اولتراسونیک → لایه سطحی رسوب پرتو الکترون خلاء. در طول پردازش آن، هم لایه اتصال فلزی و هم لایه سرامیکی تحت خلاء قرار می گیرند، بنابراین یک لایه TGO با ضخامت حدود 1 میکرومتر نباید بین لایه پیوند و لایه سرامیکی تولید شود. فرآیند آمادهسازی پوشش مانع حرارتی موجود حاوی لایه TGO برای تشخیص بافت نیست، بنابراین تأثیر لایه TGO تولید شده در فرآیند آمادهسازی بر عملکرد و عمر مفید پوشش مانع حرارتی باید با جزئیات نشان داده شود، بنابراین لازم نیست در اینجا وارد جزئیات شویم. با این حال، اگر درجه خلاء در کوره الزامات را برآورده نکند، ساختار و خواص سطح سرامیکی ممکن است بر عمر مفید پوشش مانع حرارتی تأثیر بگذارد که با آزمایشهای این مطالعه تأیید شده است.
1.3 تست میکروسختی
سختی سطح سرامیکی دو نوع تیغه به ترتیب مورد آزمایش قرار گرفت و نتایج در جدول 1 نشان داده شده است. تیغه نصب نشده در همان دسته، نشان می دهد که مقدار سختی تیغه در همان دسته قبل و بعد از استفاده تغییر قابل توجهی نمی کند.
1.4 تست تایید
لایه سرامیکی پوشش مانع حرارتی تحت فرآیند رسوب فیزیکی پرتو الکترونی انجام می شود. ZrO2 در یک کوره خلاء حرارت داده می شود تا زمانی که از شمش تبخیر شود و سپس به آرامی روی سطح تیغه رسوب می کند. شکل و ضخامت رشد لایه سرامیکی با کنترل پارامترهایی مانند جریان، درجه خلاء و زمان رسوب در کوره خلاء تضمین می شود. پس از بررسی فرآیند، مشخص شد که سوابقی از جایگزینی سیم تفنگ یا روغن پمپ مکانیکی در کوره خلاء وجود دارد که مستقیماً بر درجه خلاء کوره خلاء تأثیر می گذارد و سپس بر رشد کریستال های ستونی پوشش سرامیکی تأثیر می گذارد. به منظور بررسی اینکه آیا درجه خلاء تأثیری بر مورفولوژی و خواص بلورهای استوانهای لایه سرامیکی دارد، آزمایشهای رسوب لایههای مختلف سرامیکی با استفاده از پارامترهای فرآیند در جدول 2 انجام میشود.
پوشش برگ توسط میکروسکوپ الکترونی در دو شرایط مشاهده شد. نتایج نشان می دهد که تحت ولتاژ، جریان و زمان رسوب یکسان، زمانی که درجه خلاء در کوره 5×10-4 Torr است، کریستال های ستونی سرامیکی مانند پر یا گندم به نظر می رسند و هیچ لایه TGO بین لایه پیوند وجود ندارد. و لایه سرامیکی (شکل 6a). هنگامی که درجه خلاء 5×10-3 Torr بود، کریستال های ستونی پوشش سرامیکی درشت بودند و شکل پر یا سنبله مانندی را نشان نمی دادند. ریزساختار ریشه بلورهای ستونی در مقایسه با انتها نسبتاً شل بود و ریزساختار شبیه به برگهای نصب نشده بود و یک لایه TGO بین لایه پیوند و لایه سرامیکی وجود داشت (شکل 6b). . در همان زمان، سختی پوشش سرامیکی زیر دو درجه خلاء مورد آزمایش قرار گرفت و نتایج نشان داد که سختی لایه سرامیکی تحت درجه خلاء 5×10-4 Torr بالاتر بود، در حالی که سختی لایه سرامیکی در زیر درجه خلاء Torr 5×10-3 کمتر بود (جدول 3).
2. نتیجه گیری
1) لایه سرامیکی تیغه معیوب از ریشه لایه سطحی شکسته شده است و ساختار ریشه کریستال ستونی شل است و قسمت میانی و بالایی کریستال ستونی به صورت خوشه ای و لایه ای توزیع شده است. مقدار سختی کمتر از لایه سرامیکی معمولی است و ساختار به طور قابل توجهی با کریستال ستونی پوشش داده شده سرامیکی معمولی متفاوت است.
2) درجه خلاء تأثیر مستقیمی بر مورفولوژی رشد پوشش سرامیکی دارد. هنگامی که درجه خلاء الزامات استاندارد را برآورده می کند، کریستال های ستونی مانند پر یا گوش رشد می کنند. هنگامی که درجه خلاء کمتر از الزامات استاندارد باشد، ریشه کریستال ستونی شل است، قسمت میانی و بالای کریستال ستونی متراکم است و یک لایه TGO آشکار بین لایه پیوند و لایه سرامیکی وجود دارد.
3) شکست لایه سرامیکی تیغه معیوب برای برآوردن الزامات استفاده ناشی از وضعیت غیرعادی تجهیزات رسوب فیزیکی است که در نتیجه سازمان لایه سرامیکی رسوب داده شده الزامات استاندارد را برآورده نمی کند.
