Турбо қозғалтқыштарға арналған кобальт қорытпасын қалай жасауға болады
Кобальт негізіндегі қорытпалар жоғары температураға, тотығуға, ыстық коррозияға және тозуға төзімділігіне байланысты турбокомпрессор компоненттері - автомобиль турбокомпрессорлары мен газ турбиналары үшін жоғары өнімді материалдар ретінде кеңінен танылған. Турбокомпрессор ортасында материалдар жоғары температурада беріктікті сақтауы, қайталанатын жылу-салқындату циклдарына төтеп беруі және жарылуға немесе ыдырауға төтеп беру үшін микроқұрылымдық тұрақты болып қалуы керек.
Дегенмен, турбомашиналық қолданбаларға арналған кобальт қорытпаларын жасау кобальтты басқа элементтермен «араластырудан» да көп нәрсені қамтиды. Процесс құрамды жобалауды, тазалықты бақылауды, дәл балқыту әдістерін, құю немесе қалыптау әдістерін, термиялық өңдеуді және сапаны сынауды қамтиды. Бұл мақалада турбомашиналық компоненттерге жарамды кобальт қорытпаларын жасаудың негізгі қадамдары мен принциптері техникалық, бірақ қолжетімді тәсілмен талқыланады.
-
1. Турбо қозғалтқыштың материалдық талаптарын түсіну
Қорытпаны жобалау алдында турбокомпрессордың мақсатты компоненттерінің, мысалы, турбина дөңгелегінің, форсунка бағыттаушы қалағының, корпустың немесе үйкеліс компоненттерінің функционалдық талаптарын анықтаңыз. Әдетте, кобальт қорытпалары келесі себептер бойынша таңдалады:
1. Ыстық беріктік: жоғары жұмыс температурасында тез жұмсармайды.
2. Тотығуға төзімділік: зақымдануды тездететін сынғыш қабық түзбейді.
3. Ыстық коррозияға төзімділік: күкірт, тұз немесе отын қалдықтарының ластаушы заттары болған кезде маңызды.
4. Тозуға төзімділік: бөлшектердің эрозиясына немесе үйкеліс әсеріне ұшырайтын бөлшектерде.
5. Микроқұрылымдық тұрақтылық: термиялық және шаршау жарықтарының пайда болу қаупін азайтады.
Турбокомпрессорлы қозғалтқыштарда температура өте жоғары болуы мүмкін, ал температураның күрт өзгеруі термиялық кернеулерді тудыруы мүмкін. Сондықтан қорытпалар жұмыс циклі бойы тұрақты және берік болуы керек.
-
2. Кобальт қорытпасының түрін анықтаңыз: «Co–Cr–W» немесе «Co–Ni–Cr» тұқымдасы.
Өнеркәсіпте кобальт қорытпалары көбінесе коррозияға төзімділік пен беріктіктің теңгерімін қамтамасыз ететін Stellite (әдетте Co–Cr–W–C) немесе Co–Ni–Cr вариациялары сияқты тұқымдастарды білдіреді.
– Хром (Cr): жоғары температурада тотығуға және коррозияға төзімділікті арттырады, себебі ол қорғаныш оксид қабатын қалыптастыруға көмектеседі.
– Вольфрам (W) / Молибден (Mo): жоғары температурада беріктікті және тозуға төзімділікті арттырады, сондай-ақ қатты ерітінділерді нығайтады.
– Көміртек (C): тозуға төзімділікті арттыратын карбидтерді (мысалы, M\_7C\_3, M\_23C\_6) түзеді, бірақ шамадан тыс болса, материалды сынғыш етеді.
– Никель (Ni): беріктік пен жұмысқа жарамдылықты арттырады, көбінесе механикалық қасиеттерді теңестіру үшін қолданылады.
– Темір (Fe): қоспа немесе арзан легирлеуші элемент ретінде көрінуі мүмкін, бірақ тым жоғары деңгейлер жоғары температуралық өнімділікті төмендетуі мүмкін.
Өте ыстық турбокомпрессорлы қолдану үшін композициялар әдетте оңай бөлінуді тудыруы немесе тотығуға төзімділікті төмендетуі мүмкін элементтерді қатаң бақылаумен жасалған. Құрамнан басқа, тазалық та маңызды: күкірт, фосфор, оттегі және азотты бақылау қажет, себебі олар қосындыларды немесе дән шекарасының сынғыштығын тудыруы мүмкін.
-
3. Шикізатты дайындау және тазалықты бақылау
Көбінесе соңғы сапаны анықтайтын бастапқы кезең - шикізатты таңдау:
1. Негізгі негіз ретінде таза кобальт (құйма немесе катод).
2. Феррохром немесе таза хром, сондай-ақ металл немесе негізгі қорытпа түріндегі W/Mo.
3. Карбид мөлшерін бақылау үшін көміртек әдетте негізгі қорытпа немесе өлшенген материал арқылы қосылады.
4. Процесс бағытына сәйкес деоксидизаторларды (мысалы, оттегін байланыстыратын белгілі бір элементтерді) пайдалануға болады.
Барлық материалдар мақсатты құрамға сәйкес дәл өлшенуі керек. Шикізаттағы ылғал, тот немесе майдың ластануы еріген газдар мен қоспалардың көбеюіне әкелуі мүмкін, бұл турбо компоненттерінің шаршауға төзімділігін төмендетеді.
-
4. Балқыту әдісі: жоғары сапа үшін вакуумдық индукция немесе ESR
Турбокомпрессорларға арналған кобальт қорытпалары жоғары сапаны талап ететіндіктен, балқыту процесінде әдетте газ бен қоспаларды бақылауға қабілетті технология қолданылады.
а) Вакуумдық индукциялық балқыту (VIM)
Вакуумдағы индукциялық балқыту көмектеседі:
– еріген оттегі мен газдарды азайту,
- ластануды азайту,
– құрамын дәлірек етеді.
Материал біртіндеп тигельге енгізіледі, балқытылады, содан кейін легирлеуші элементтер толығымен еріп, буланбайтын немесе тотықпайтын етіп ретімен қосылады.
b) Электро қожды қайта балқыту (ESR) / Вакуумдық доғаны қайта балқыту (VAR)
Маңызды өнімдер үшін VIM құймаларынан кейін көбінесе ESR немесе VAR келесідей болады:
– металл емес қоспаларды азайту,
– құйма құрылымын жетілдіру,
- бөлінуді азайту.
ESR металл тазалығын жақсартуда өте тиімді, ал VAR тамаша біртектілікті қажет ететін жоғары өнімді қорытпалар үшін танымал.
-
5. Құю және қалыптау: құймадан құрамдас пішінге дейін
Балқытылғаннан кейін материал бірнеше жолмен қажетті пішінге келтіріледі:
а) Дәл құю (инвестициялық құю)
Кішкентай турбина қалақтары немесе күрделі пішінді компоненттер сияқты күрделі геометрияларға жарамды. Оның артықшылықтары:
– жоғары егжей-тегжейлілік,
– минималды өңдеу,
- өндіріс тиімділігі.
Дегенмен, құю кеуектілікті, кішіреюді және бөлінуді төмен деңгейде ұстау үшін өте қатаң бақылауды қажет етеді.
b) Соғу немесе ыстықтай өңдеу
Егер компоненттер мүмкіндік берсе, соғу мыналарды қамтамасыз ете алады:
– тығызырақ түйіршік құрылымы,
– шаршау қасиеттерін жақсарту,
– кәдімгі құюға қарағанда кеуектілігі төмен.
Кейбір кобальт қорытпалары кәдімгі болат қорытпаларына қарағанда «өңдеу қиынырақ», сондықтан ыстық жарылудың алдын алу үшін ыстық жұмыс температурасының параметрлері мен деформация жылдамдығы дәл болуы керек.
c) Ұнтақ металлургиясы / HIP (Ыстық изостатикалық престеу)
Өте жоғары талаптар үшін (мысалы, тығыздығы 100%-ға жақындайтын және ұсақ микроқұрылымдар) ұнтақ + HIP әдісін қолдануға болады. Бұл әдіс қымбат, бірақ ішкі кеуектілікті азайтады және қасиеттердің консистенциясын жақсартады.
-
6. Термиялық өңдеу: микроқұрылымды тұрақтандырады және қасиеттерін оңтайландырады
Кобальт қорытпаларын термиялық өңдеу келесіні реттеуге бағытталған:
– карбидті бөлу,
- дән мөлшері,
– қалдық кернеу,
- күш пен төзімділіктің тепе-теңдігі.
Жалпы, қадамдар мыналарды қамтуы мүмкін:
1. Белгілі бір фазаларды еріту және құрылымды теңестіру үшін ерітіндімен өңдеу.
2. Беріктік пен қаттылықты арттыру үшін бақыланатын тұнбалар/карбидтер түзу үшін қартаю.
3. Құю, механикалық өңдеу немесе дәнекерлеу процестерінен қалған қалдық кернеуді азайту үшін кернеуді жеңілдету.
Температура мен уақыт параметрлері нақты құрамға негізделіп анықталуы керек, себебі әрбір қорытпа термиялық өңдеуге әртүрлі жауап береді.
-
7. Өңдеу, әрлеу және жабу (міндетті емес)
Кобальт қорытпаларын өңдеу көбінесе қиын, себебі олар қатты, иілгіш және ыстыққа төзімді. Жалпы стратегияларға мыналар жатады:
– тиісті құрал-саймандарды (карбид немесе арнайы түрі) пайдаланыңыз,
– салқындату және кесу жылдамдығын басқару,
– дірілді азайту.
Өте ыстық ортада қызмет ету мерзімін ұзарту үшін турбо компоненттері кейде тотығуға/жылу кедергісіне (мысалы, жылу тосқауыл жабыны) немесе белгілі бір жерлерге қатты қаптамамен жабылады. Жабын қолданған кезде жылу циклі кезінде қабыршақтанудың алдын алу үшін кеңею коэффициенттері мен адгезияның үйлесімділігін ескеру қажет.
-
8. Сапаны сынау: турбо орталарға жарамдылығын қамтамасыз ету
Турбокомпрессорлар экстремалды жағдайларда жұмыс істейтіндіктен, сапаны тексеруді елемеуге болмайды. Әдеттегі сынақтарға мыналар жатады:
– Дәл құрамды қамтамасыз ету үшін химиялық талдау (OES/XRF).
– Карбидтерді, кеуектілікті, бөлінуді және түйіршік өлшемін тексеру үшін микроқұрылымдық (металлографиялық) сынақ.
– Бөлме температурасында және қажет болған жағдайда жоғары температурада қаттылық пен созылу сынақтары.
– Турбиналардың озық қолданылуына арналған жылжу және шаршау сынағы.
– Ішкі/беткі ақауларды анықтау үшін радиография, ультрадыбыстық немесе ену әдісі сияқты бұзбайтын тексеру (NDT).
Турбо компоненттері жоғары деңгейдегі консистенцияны қажет етеді; тіпті кішігірім ақаулар да жоғары айналымдармен жұмыс істеген кезде жарықтарға айналуы мүмкін.
-
9. Өнеркәсіптік қауіпсіздік және сәйкестік туралы есеп
Кобальт және оның кейбір легирлеуші элементтері K3 назарын аударуды қажет етеді:
– ұнтақтаудан пайда болған кобальт шаңы деммен жұту кезінде зиянды болуы мүмкін,
– жоғары қауіпті балқыту процесі,
– қалдықтар мен шлактар қоршаған ортаны қорғау ережелеріне сәйкес басқарылуы тиіс.
Өнеркәсіптік ауқымда турбо компоненттеріне арналған қорытпаларды өндіру әдетте сапа стандарттары мен басқару жүйелеріне (мысалы, материал стандарттары, NDT процедуралары, бақылау жылулық сандары) сәйкес жүзеге асырылады, себебі қауіпсіздік пен сенімділік аспектілері негізгі басымдықтар болып табылады.
-
Қорытынды
Турбомашиналар үшін кобальт қорытпаларын өндіру - композициялық дизайн мен металлургиялық процесті қатаң бақылауды біріктіретін процесс. Негізгі қадамдарға қолдану талаптарын анықтау, қорытпаны жобалау (әдетте бақыланатын W/Mo, Ni және C қоспалары бар Co-Cr негізінде), жоғары сапалы балқыту (VIM/ESR/VAR), дәл құю/соғу/HIP арқылы қалыптау, микроқұрылымды тұрақтандыру үшін термиялық өңдеу және материалдың төтенше температура мен жүктемелерге төтеп беруге дайын екеніне көз жеткізу үшін мұқият сынау кіреді.
Дұрыс тәсілмен кобальт қорытпалары жылудың, тотығудың, ыстық коррозияның және тозуға төзімділіктің тамаша үйлесімін қамтамасыз ете алады, бұл оларды ұзақ мерзімді сенімділікті қажет ететін турбо компоненттері үшін ең жақсы таңдау етеді.
-
Қаласаңыз, мен автомобиль турбокомпрессорларына (әртүрлі температуралар мен жағдайлар) немесе өнеркәсіптік газ турбиналарына арналған нақтырақ нұсқаларды жасай аламын, соның ішінде қорытпаның «құрамы» нұсқауларының мысалдары, ең қолайлы өндіріс процесінің ағындары және әрбір компонент үшін ұсынылған сынақ түрлері көрсетілген.
