ارزیابی ریزساختاری و مکانیزم‌ های آسیب پره متحرک ردیف اول توربین ge ms9011 پس از کارکرد طولانی مدت در شرایط کارکرد توربین

مقدمه: سوپرآلیاژهای پایه نیکل رسوب سخت شونده به دلیل خواص مکانیکی دمای بالا منحصربفردشان، دارای قابلیت کارکرد در شرایط دما - فشار بالا در محیط های خورنده هستند. یکی از کاربردهای این آلیاژها استفاده در بخش داغ توربین‌های گازی است که می‌توانند به عنوان پره های متحرک و ثابت مورداستفاده قرار گیرند. به دلیل زمان بالای کارکرد این قطعات در دمای نسبتاً بالا (800 الی 950 درجه سانتی گراد)، خواص این آلیاژها پس از مدتی تغییر کرده و همچنین احتمال ایجاد آسیب های مختلفی از قبیل اکسیداسیون، تغییر شکل های شدید موضعی، خزش و خستگی در آن ها وجود دارد. این تغییرات و آسیب های بیان شده روی قابلیت اطمینان کارکرد این قطعات حساس و همچنین عملکرد آنها به شدت تاثیر می گذارند.روش: در این تحقیق به بررسی مکانیزم های آسیب و خواص ریزساختاری سوپرآلیاژ gtd-111 به عنوان یک سوپرآلیاژ پایه نیکل رسوب سخت شونده، پرداخته می شود. لذا در این تحقیق از ایرفویل پره 75000 ساعت کارکرده به عنوان منطقه تحت حرارت بالا و از ریشه به عنوان ریزساختار شاهد استفاده شده است. مشخصه‌یابی آلیاژ کارکرده به کمک میکروسکوپ نوری، میکروسکوپ الکترونی روبشی، میکروسکوپ الکترونی عبوری، آنالیز طیف نگار تفکیک انرژی پرتو ایکس انجام شد. به منظور بررسی های آسیب های ناشی از کارکرد، پره مورد نظر توسط آزمون های غیر مخرب پرتو ایکس و آزمون مایع نافذ فلورسنتی مورد بررسی قرار گرفته شد.یافته ها: طبق تحلیل المان محدود، بخش ایرفویل پره دمای بالایی را تجربه می کند که در محدود 800-925 درجه سانتی گراد است. براساس نتایج بدست آمده از آزمون های غیر مخرب، سطح پره فقط دارای عیوبی از قبیل کندگی پوشش سد حرارتی، تغییر فرم های پلاستیک موضعی در نوک پره است. براساس بررسی های ریزساخاری، تغییرات شدیدی ریزساختاری ازقبیل درشت شدن و تغییر مورفولوژی از مکعبی  به کروی فازهای رسوب سخت اولیه γ′، انحلال فازهای رسوب سخت ثانویه γ′ که در زمینه γ قرار داشتند، تجزیه فازهای کاربیدی mc به فازهای m23c6، پیوستگی فازهای کاربیدی m23c6 در مرزدانه و ایجاد فازهای tcp در مناطق بین دندریتی ناشی از کارکرد طولانی مدت، دیده شده است. براساس نتایج بدست آمده از میکروسکوپ الکترونی عبوری، نابجایی هایی در زمینه γ و فصل مشترک γ-γ′ مشاهده شده است. قابل ذکر است به دلیل پایین بودن سطح تنش، مقدار نابجایی های موجود در فاز γ′ که میتواند به صورت sfe و apb باشد، محدود است. نتیجه گیری: نتایج ریزساختاری حاکی از وجود زوال ساختاری شدید پس از 75000 ساعت کارکرد توربین است. زوال ساختاری اصلی که میتواند منجر به کاهش شدید خواص مکانیکی در دمای بالا و به تبع آن کاهش شدید قابلیت اطمینان شود عبارتند از تغییر اندازه و مورفولوژی فازهای رسوب سخت γ′ و پیوستگی فازهای کاربیدی ترد در مرزدانه های آلیاژ gtd-111. اکسیداسیون در مرزدانه و ایجاد ترک در سوراخ هوا خنک پره در ارتفاع 50 درصد ایرفویل نیز به عنوان دیگر مکانیزم آسیب تعیین شده است.

microstructural characterization and damage mechanism of the first stage blade ge ms9001 after long-term exposure

introduction: due to the outstanding high-temperature mechanical properties, precipitation-hardening nickel-based superalloys are capable of working in high-temperature conditions in the harsh environment. one of the applications of these alloys is the use in the hot part of gas turbines, which can be used as rotor and stator blades. the properties of these alloys after high-temperature (800-950°c) long-term operation have changed dramatically, including oxidation, severe local deformations, creep and fatigue, and microstructure. the mentioned damages can strongly affect the reliability of the operation of these components.  methods: in this research, damage mechanisms and microstructural properties of gtd-111 superalloy as a precipitation-hardening nickel base superalloy are investigated. hence, the blade airfoil operated for 75,000 hours was used as the alloy under high-temperature conditions and the root section was used as the unexposed alloy. characterization of the exposed alloy was carried out by optical microscope (om), scanning electron microscope (sem), transmission electron microscope (tem), and x-ray energy dispersive spectroscope (eds). in order to assess the damage mechanism, the radiography x-ray test (rt) and fluorescence penetration inspection (fpi) were used.   findings: based on the finite element analysis results, the blade airfoil experienced a high temperature condition about 800-925°c. the non-destructive tests results showed that some damages such as spallation of thermal barrier coating, local deformation, local oxidation, tip rubbing and discoloration. the microstructure observation results demonstrated that there are considerable changes in the microstructure features such as the decomposition of mc carbide, coarsening and spheroidization of primary γ′, dissolution of secondary γ′, and formation of huge deleterious topological closed packed (tcp) phases located in interdendritic regions which profoundly impact its mechanical properties. based on the results obtained from the transmission electron microscope (tem), dislocations have been observed in the γ channels and the γ-γ’ interface. it is worth mentioning that due to the low stress level, the density of dislocation in the γ′ phase, which can be in the form of sfe and apb, is limited. microstructural observations indicated severe structural deterioration after 75,000 hours of turbine operation. the main structural degradation that can lead to a sharp decrease in mechanical properties at high temperature and consequently a sharp decrease in reliability is the change in the size and morphology of precipitation hardening phases γ’ and the continuity of brittle carbide phases in the grain boundaries of gtd-111 alloy.