پایان نامه ایجاد پوشش‌ های نانو ساختار برای کار در شرایط دمای بالا

word
69
4 MB
32296
1393
کارشناسی ارشد
قیمت: ۸,۹۷۰ تومان
دانلود فایل
  • خلاصه
  • فهرست و منابع
  • خلاصه پایان نامه ایجاد پوشش‌ های نانو ساختار برای کار در شرایط دمای بالا

    پایان‌نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد M.Sc

    در رشته مهندسی مکانیک-ساخت و تولید

    چکیده

    پوشش‌ های 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 کلیدی: هم‌‌ رسوبی-آلومینیوم‌ دهی-پوشش‌ های نفوذی آلومینایدی-فرآیند دو ‌مرحله‌ای-اکتیویته بالا.

    1.  

    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 پوشش‌ ها 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. یکی از مهمترین روش‌های شناخته شده برای بهبود چسبندگی پوسته اکسیدی، اثر عناصر اکسیژن‌دوست نظیر ایتریم، سریم، هافنیم و مانند آن‌هاست. غلظت اندکی از این عناصر یا اکسید آن‌ها می‌تواند مورفولوژی لایه اکسیدی آلومینا و فصل مشترک آن با پوشش آلومینایدی را اصلاح کند 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.

     

    Abstract:

     

    The use of aluminide diffusion coatings are common for the protection of gas turbines used in power generation, aviation and marine and oil & gas and petrochemical industries that are mainly attacked by high temperature oxidation and hot corrosion phenomena.  In this research, in order to take advantage of the effect of reactive elements, how Strengthening aluminide diffusion coating with Zirconium Oxide Nanoparticles is investigated. For create coating, on nickle-base superalloy by electrodeposited nickel layer and the electrodeposited Ni-ZrO2 nanoparticles composite layer was separately followed by high activity pack aluminizing with a two-step process. First, high activity aluminizing is carried out at temperature 760°C and which is then followed by a diffusion treatment at 1080°C for achieve the desired phases. Coating formation mechanism was evaluated via Optical Microscope, Scanning Electron Microscopy structural studies and Energy Dispersive Spectroscopy analysis. The results showed that cerium oxide nanoparticles have been successfully involved in the aluminide coating.

     

    Keywords: co-deposition, Aluminizing or aluminization, aluminide diffusion coatings, two-step process, high activity.  

     

  • فهرست و منابع پایان نامه ایجاد پوشش‌ های نانو ساختار برای کار در شرایط دمای بالا

    فهرست:

    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

    منبع:

    [1]     P. Schilke, A. Foster, and J. Pepe, Advanced gas turbine materials and coatings: General Electric Company, 1991.

    [2]     J. H. Westbrook and R. L. Fleischer, Magnetic, electrical and optical properties, and applications of intermetallic compounds: Wiley Chichester, UK, and New York, 2000.

    [3]     M. Gell, C. Kortovich, R. Bricknell, W. Kent, and J. Radavich, "Superalloys 1984," Champion, p. 1984, 1984.

    [4]     D. R. Holmes and A. Rahmel, Materials and coatings to resist high temperature corrosion: Applied Science Publishers, 1978.

    [5]     A. Nicoll, G. Wahl, and U. Hildebrandt, "Ductile-brittle transition of high temperature coatings for turbine blades," Materials and Coatings to Resist High Temperature Corrosion, Verein Deutscher Eisenhuttenleute, pp. 233-252, 1977.

    [6]     A. I. H. Committee, Surface Engineering vol. 5: ASM International, 1994.

    [7]     H. Kuhn and D. Medlin, "ASM Handbook. Volume 8: Mechanical Testing and Evaluation," ASM International, Member/Customer Service Center, Materials Park, OH 44073-0002, USA, 2000.

    [8]     K. Hou, M. Ger, L. Wang, and S. Ke, "The wear behaviour of electro-codeposited Ni–SiC composites," Wear, vol. 253, pp. 994-1003, 2002.

    [9]     R. Mevrel, C. Duret, and R. Pichoir, "Pack cementation processes," Materials Science and Technology, vol. 2, pp. 201-206, 1986.

    [10]    G. Goward and D. Boone, "Mechanisms of formation of diffusion aluminide coatings on nickel-base superalloys," Oxidation of metals, vol. 3, pp. 475-495, 1971.

    [11]    E. J. Grybowski and W. E. Olson, "Process for applying gas phase diffusion aluminide coatings," ed: Google Patents, 1991.

    [12]    E. Lang, "Coatings for high temperature applications," E. Lang, Editor, Applied Science Publishers, 1984, 48 English Pounds, 442 pages, ISBN 0-85334-221-0, 1984.

    [13]    G. Goward and L. Cannon, "Pack cementation coatings for superalloys: a review of history, theory, and practice," Journal of engineering for gas turbines and power, vol. 110, pp. 150-154, 1988.

    [14]    D. DEADMORE and S. YOUNG, "Silicon-slurry/aluminide coating(protecting gas turbine engine vanes and blades)[Patent]," 1983.

    [15]    A. Strang, E. Lang, and R. Brunetand, "High temperature alloys for gas turbines," in High Temperature Alloy for Gas Turbines, Proc. Conf. Liege, 1982, pp. 4-6.

    [16]    G. Goward, "Progress in coatings for gas turbine airfoils," Surface and Coatings Technology, vol. 108, pp. 73-79, 1998.

    [17]    R. Streiff, J. N'Gandu Muamba, and D. Boone, "Surface morphology of diffusion aluminide coatings," Thin solid films, vol. 119, pp. 291-300, 1984.

    [18]    F. H. Stott and G. C. Wood, "Growth and adhesion of oxide scales on Al2O3-forming alloys and coatings," Mater. Sci. Eng, vol. 87, pp. 267-274, 1987.

    [19]    N. Lindblad, "A review of the behavior of aluminide-coated superalloys," Oxidation of Metals, vol. 1, pp. 143-170, 1969.

    [20]    W. E. Boggs, "The Oxidation of Iron‐Aluminum Alloys from 450° to 900° C," Journal of the Electrochemical Society, vol. 118, pp. 906-913, 1971.

    [21]    R. Prescott and M. Graham, "The formation of aluminum oxide scales on high-temperature alloys," Oxidation of Metals, vol. 38, pp. 233-254, 1992.

    [22]    G. C. Wood, "High-temperature oxidation of alloys," Oxidation of Metals, vol. 2, pp. 11-57, 1970.

    [23]    G. Wood and F. Stott, "The influence of aluminum additions on the oxidation of Co-Cr alloys at 1000 and 1200° C," Oxidation of Metals, vol. 3, pp. 365-398, 1971.

    [24]    F. Stott, G. Wood, and M. Hobby, "A comparison of the oxidation behavior of Fe-Cr-Al, Ni-Cr-Al, and Co-Cr-Al alloys," Oxidation of Metals, vol. 3, pp. 103-113, 1971.

    [25]    P. Choquet, C. Indrigo, and R. Mevrel, "Microstructure of oxide scales formed on cyclically oxidized M Cr Al Y coatings," Materials Science and Engineering, vol. 88, pp. 97-101, 1987.

    [26]    J. Tien and F. Pettit, "Mechanism of oxide adherence on Fe-25Cr-4Al (Y or Sc) alloys," Metallurgical Transactions, vol. 3, pp. 1587-1599, 1972.

    [27]    D. Delaunay, A. Huntz, and P. Lacombe, "Impurities influence on oxidation kinetics of Fe-Ni-Cr-Al alloys," Corrosion science, vol. 24, pp. 13-25, 1984.

    [28]    A. Kumar, M. Nasrallah, and D. L. Douglass, "The effect of yttrium and thorium on the oxidation behavior of Ni-Cr-Al alloys," Oxidation of Metals, vol. 8, pp. 227-263, 1974.

    [29]    J. L. Smialek and R. Gibala, "Structure of transient oxides formed on nicrai alloys," Metallurgical Transactions A, vol. 14, pp. 2143-2161, 1983.

    [30]    D. Lees, "On the reasons for the effects of dispersions of stable oxides and additions of reactive elements on the adhesion and growth-mechanisms of chromia and alumina scales-the “sulfur effect”," Oxidation of Metals, vol. 27, pp. 75-81, 1987.

    [31]    A. Funkenbusch, J. Smeggil, and N. Bornstein, "Reactive element-sulfur interaction and oxide scale adherence," Metallurgical Transactions A, vol. 16, pp. 1164-1166, 1985.

    [32]    C. Briant and K. Luthra, "Surface segregation in MCrAlY alloys," Metallurgical Transactions A, vol. 19, pp. 2099-2108, 1988.

    [33]    M. Lagrange, A. Huntz, and J. Davidson, "The influence of Y, Zr or Ti additions on the high temperature oxidation resistance of Fe-Ni-Cr-Al alloys of variable purity," Corrosion science, vol. 24, pp. 613-627, 1984.

    [34]    F. Golightly, G. Wood, and F. Stott, "The early stages of development of α-Al2O3 scales on Fe-Cr-Al and Fe-Cr-Al-Y alloys at high temperature," Oxidation of Metals, vol. 14, pp. 217-234, 1980.

    [35]    T. Ramanarayanan, M. Raghavan, and R. Petkovic-Luton, "Metallic yttrium additions to high temperature alloys: Influence on Al2O3 scale properties," Oxidation of metals, vol. 22, pp. 83-100, 1984.

    [36]    D. Delaunay and A. Huntz, "Mechanisms of adherence of alumina scale developed during high-temperature oxidation of Fe-Ni-Cr-Al-Y alloys," Journal of Materials Science, vol. 17, pp. 2027-2036, 1982.

    [37]    P. Nanni, C. Stoddart, and E. Hondros, "Grain boundary segregation and sintering in alumina," Materials Chemistry, vol. 1, pp. 297-320, 1976.

    [38]    A. Huntz, "Effect of active elements on the oxidation behaviour of Al2O3-formers," in The Role of Active Elements in the Oxidation Behaviour of High Temperature Metals and Alloys, ed: Springer, 1989, pp. 81-109.

    [39]    J. D. Cawley and J. W. Halloran, "Dopant Distribution in Nominally Yttrium‐Doped Sapphire," Journal of the American Ceramic Society, vol. 69, pp. C‐195-C‐196, 1986.

    [40]    H. Hindam and D. Whittle, "Microstructure, adhesion and growth kinetics of protective scales on metals and alloys," Oxidation of Metals, vol. 18, pp. 245-284, 1982.

    [41]    D. Moon, "Role of reactive elements in alloy protection," Materials Science and Technology, vol. 5, pp. 754-764, 1989.

    [42]    A. Huntz, "Influence of active elements on the oxidation mechanism of M Cr Al alloys," Materials Science and Engineering, vol. 87, pp. 251-260, 1987.

    [43]    F. Golightly, F. Stott, and G. Wood, "The influence of yttrium additions on the oxide-scale adhesion to an iron-chromium-aluminum alloy," Oxidation of Metals, vol. 10, pp. 163-187, 1976.

    [44]    C. Briant and R. Mulford, "Surface segregation in austenitic stainless steel," Metallurgical Transactions A, vol. 13, pp. 745-752, 1982.

    [45]    S. Mrowec, J. Jedliński, and A. Gil, "The influence of certain reactive elements on the oxidation behaviour of chromia-and alumina-forming alloys," Materials Science and Engineering: A, vol. 120, pp. 169-173, 1989.

    [46]    G. Goward, D. Boone, and C. Giggins, "Formation and degradation mechanisms of aluminide coatings on nickel-base superalloys," ASM Trans Quart, vol. 60, pp. 228-241, 1967.

    [47]    M. M. P. JANSSEN, "Diffusion in the Nickel-Rich Part of the Ni-AI System at 1000°C to 1300°C Ni3AI Layer Growth, Diffusion Coefficients, and Interface Concentrations," Metall Trans, vol. 4, p. 1623, 1973.

    [48]    M. Janssen and G. Rieck, "Reaction diffusion and Kirkendall-effect in the nickel-aluminum system," AIME MET SOC TRANS, vol. 239, pp. 1372-1385, 1967.

    [49]    B. Pint, "Experimental observations in support of the dynamic-segregation theory to explain the reactive-element effect," Oxidation of metals, vol. 45, pp. 1-37, 1996.



تحقیق در مورد پایان نامه ایجاد پوشش‌ های نانو ساختار برای کار در شرایط دمای بالا, مقاله در مورد پایان نامه ایجاد پوشش‌ های نانو ساختار برای کار در شرایط دمای بالا, پروژه دانشجویی در مورد پایان نامه ایجاد پوشش‌ های نانو ساختار برای کار در شرایط دمای بالا, پروپوزال در مورد پایان نامه ایجاد پوشش‌ های نانو ساختار برای کار در شرایط دمای بالا, تز دکترا در مورد پایان نامه ایجاد پوشش‌ های نانو ساختار برای کار در شرایط دمای بالا, تحقیقات دانشجویی درباره پایان نامه ایجاد پوشش‌ های نانو ساختار برای کار در شرایط دمای بالا, مقالات دانشجویی درباره پایان نامه ایجاد پوشش‌ های نانو ساختار برای کار در شرایط دمای بالا, پروژه درباره پایان نامه ایجاد پوشش‌ های نانو ساختار برای کار در شرایط دمای بالا, گزارش سمینار در مورد پایان نامه ایجاد پوشش‌ های نانو ساختار برای کار در شرایط دمای بالا, پروژه دانشجویی در مورد پایان نامه ایجاد پوشش‌ های نانو ساختار برای کار در شرایط دمای بالا, تحقیق دانش آموزی در مورد پایان نامه ایجاد پوشش‌ های نانو ساختار برای کار در شرایط دمای بالا, مقاله دانش آموزی در مورد پایان نامه ایجاد پوشش‌ های نانو ساختار برای کار در شرایط دمای بالا, رساله دکترا در مورد پایان نامه ایجاد پوشش‌ های نانو ساختار برای کار در شرایط دمای بالا

ثبت سفارش
تعداد
عنوان محصول
بانک دانلود پایان نامه رسا تسیس