لاینرهای احتراق توربین گاز، مجراهای انتقال، و اجزای پس سوز مستقیماً در مسیر گرمترین و چرخه ای ترین جریان گاز در کل موتور - قرار می گیرند، یک محیط خدماتی که بیشتر فلزات را قبل از استحکام از توجه حذف می کند.Hastelloy X (UNS N06002)برای چندین دهه به عنوان یک ماده استاندارد برای این قطعات باقی مانده است، زیرا ترکیبی از استحکام در دمای بالا، مقاومت در برابر اکسیداسیون عالی، و قابلیت ساخت واقعا خوب در یک آلیاژ نیکل تقویت‌شده-محلول جامد-است.
این راهنما توضیح می‌دهد که چه چیزی به Hastelloy X می‌دهد{0}}در دمای بالا، داده‌های گسیختگی خزش را در دمای کارکرد توربین گاز بررسی می‌کند، و توضیح می‌دهد که چرا به‌طور خاص برای سخت‌افزار بخش احتراق گزینه ترجیحی باقی می‌ماند.
Hastelloy X چیست و چرا به طور گسترده در اجزای احتراق توربین گاز استفاده می شود؟
Hastelloy X یک سوپرآلیاژ نیکل-کروم-آهن-مولیبدن است که در بخش‌های احتراق توربین گاز به دلیل ترکیب غیرعادی-استحکام دمایی بالا، مقاومت در برابر اکسیداسیون عالی، و قابلیت ساخت خوب {{4} ترکیبی است که آن را به‌خوبی با فرم‌های معمولی، فلزی و نازک مناسب می‌سازد. آسترهای احتراق و کانال های انتقال.
ترکیب اسمی نماینده Hastelloy X:
|
عنصر |
تقریبا wt% |
نقش اصلی |
|
نیکل (Ni) |
موجودی (≈ 47%) |
عنصر پایه؛ ماتریس آستنیتی و پایداری عمومی{0}در دمای بالا را فراهم می کند |
|
کروم (کروم) |
≈ 22% |
لایه محافظ اکسید کروم را در مرکز مقاومت اکسیداسیون تشکیل می دهد |
|
آهن (آهن) |
≈ 18% |
هزینه مواد خام را نسبت به سوپرآلیاژهای نیکل{0} بالاتر در حالی که از ماتریس پشتیبانی می کند، کاهش می دهد |
|
مولیبدن (Mo) |
≈ 9% |
تقویت محلول جامد-در دمای بالا ارائه می‌کند |
|
کبالت (شرکت) |
≈ 1.5% |
کمک متوسطی به تقویت-محلول جامد و پایداری دمای بالا- |
|
تنگستن (W) |
≈ 0.6% |
تقویت کننده محلول جامد ثانویه- |
|
کربن (C) |
≈ 0.10% |
پشتیبانی از تشکیل کاربید که به استحکام کمک می کند، کنترل می شود تا از اثرات بیش از حد کاربید مرز دانه جلوگیری شود. |
جدول 1. ترکیب اسمی نماینده Hastelloy X (UNS N06002). ارزش ها گویا و گرد هستند. قبل از استفاده در اسناد طراحی، محدودیت های ترکیب دقیق را در برابر برگه داده های تولید کننده فعلی یا مشخصات قابل اجرا تأیید کنید.
آسترهای احتراق، مجراهای انتقال، شعله‌گیرها و اجزای پس‌سوز دارای دیواره‌های نازک-و شکل‌دهی و جوشکاری شده‌اند که باید همزمان در دمای بالا، چرخه حرارتی سریع، و محیط گاز احتراق اکسیدکننده دوام بیاورند. بسیاری از سوپرآلیاژهای نیکل در دمای بالا از طریق سخت شدن بارندگی استحکام خود را به دست می آورند، مکانیزمی که به طور کلی شکل دهی و جوشکاری را دشوارتر می کند و اغلب برای بازیابی خواص در مناطق آسیب دیده نیاز به عملیات حرارتی پس از ساخت- دارد.
در عوض، Hastelloy X به استحکام خود عمدتاً از طریق-تقویت محلول جامد، که در بخش بعدی بحث شد، دست می‌یابد، که ترکیبی از-قابلیت دمای بالا و قابلیت ساخت ورقهای واقعی{2}}فلز را ارائه می‌دهد که آن را به یک ماده استاندارد طولانی-برای دقیقاً این دسته از سخت‌افزارهای توربین گاز تبدیل کرده است.
چه چیزی به Hastelloy X استحکام دمایی بالا-بدون سخت شدن بارندگی را می‌دهد؟
Hastelloy X استحکام دمایی بالا خود را عمدتاً از طریق تقویت محلول جامد از مولیبدن، تنگستن و کبالت حل شده در نیکل-کروم-به جای تشکیل کاربید، به‌جای مکانیسم‌های ریزش زیاد{4} بدست می‌آورد. سوپر آلیاژهای نیکل
تقویت-محلول جامد با حل کردن اتم‌های آلیاژی با اندازه‌های متفاوت از اتم‌های نیکل پایه مستقیماً در شبکه کریستالی کار می‌کند و کرنش شبکه‌ای موضعی ایجاد می‌کند که مانع حرکت نابجایی می‌شود و استحکام آلیاژ را افزایش می‌دهد. مولیبدن و تنگستن، هر دو اتم‌های بسیار بزرگ‌تر از نیکل، به‌ویژه به این مکانیسم تقویت‌کننده در Hastelloy X کمک می‌کنند.
این رویکرد اساساً با آلیاژهای سخت‌کننده بارندگی متفاوت است، که بر ذرات فاز ثانویه متمایز متکی هستند (مانند گاما-پرایم در بسیاری از سوپرآلیاژهای نیکل) که باید با دقت از طریق عملیات حرارتی پیری خاص توسعه داده شوند و می‌توانند به صورت موضعی با جوشکاری مختل شوند. از آنجایی که-تقویت محلول جامد به رسوبی که گرمای جوش می‌تواند به طور غیرقابل پیش‌بینی حل یا درشت شود، بستگی ندارد، Hastelloy X از طریق ساخت و جوشکاری خواص نسبتاً ثابتی را حفظ می‌کند، بدون اینکه نیازی به همان رژیم عملیات حرارتی دقیق بعد از جوشکاری باشد که رسوب-مزایای عملی فلزات سخت شده اغلب برای سوپرآلیاژهای سخت شده{{17}} مجموعه های معمولی سخت افزار احتراق.
حد مقاومت در برابر اکسیداسیون Hastelloy X چیست و چگونه با فولاد ضد زنگ مقایسه می شود؟
Hastelloy X مقاومت عالی در برابر اکسیداسیون تا تقریباً 1200 درجه (2200 درجه فارنهایت) در{2}}قرارگیری کوتاه مدت ارائه می‌کند، با خدمات ساختاری پایدار که معمولاً تا حدود 1100 درجه (2000 درجه فارنهایت) ذکر می‌شود، که به‌طور معنی‌داری از محدودیت‌های اکسیداسیون حتی در مقایسه‌های فنی با درجه حرارت بالا مانند سایر فولادهای ضدزنگ31 بیشتر است.
مقاومت اکسیداسیون Hastelloy X ناشی از همان مکانیزم لایه غیرفعال کروم-اکسید متداول در فولادهای ضد زنگ و سایر آلیاژهای حاوی کروم-است، اما میزان نیکل آن بطور قابل ملاحظه‌ای - نیکل در دمای بالا بسیار پایدارتر از آهن است، عنصر پایه فولادی فراتر از سقف استیل است- آلیاژهای ضد زنگ مبتنی بر آهن-می توانند پایدار باشند.
این یک تمایز معنی‌دار و قابل اندازه‌گیری با درجه‌های ضدزنگ با دمای بالا-است: جایی که سقف سرویس مداوم عملی فولاد ضد زنگ 310S در محدوده تقریباً 1100-1150 درجه قرار دارد، ماتریس مبتنی بر نیکل{4}}Hastelloy X امکان مقاومت در برابر اکسیداسیون و مقاومت بالاتر{5} را در دمای پایدار و اکسیداسیون{5} فراهم می‌کند. استحکام مکانیکی بسیار بهتری را در آن دماهای بالا حفظ می کند - ترکیبی که فولاد ضد زنگ به طور کلی نمی تواند در سرویس بخش احتراق واقعی توربین گاز مطابقت داشته باشد.
داده های پارگی خزش برای Hastelloy X در دمای عملیاتی توربین گاز چه چیزی را نشان می دهد؟
با افزایش دما از حدود 760 درجه به 1093 درجه، تنش تنش Hastelloy X به شدت کاهش می‌یابد-قدرت گسیختگی Hastelloy X با افزایش تنش مجاز برای یک عمر گسیختگی معین تقریباً مرتبه‌ای بزرگ در این محدوده کاهش می‌یابد - مهندسان الگویی باید به‌جای فرض اینکه یک گذرگاه تنش در محدوده کامل دمای کارکرد را به طور واضح طراحی کنند.
استرس نماینده{0}}داده‌های گسیختگی نشان‌دهنده این کاهش است:
|
دما |
تقریبا استرس برای زندگی پارگی 1000 ساعته |
تقریبا استرس برای زندگی پارگی 10000 ساعته |
|
760 درجه (1400 درجه فارنهایت) |
≈ 125-140 MPa (18-20 ksi) |
≈ 85-95 مگاپاسکال (12-14 ksi) |
|
871 درجه (1600 درجه فارنهایت) |
≈ 55-65 MPa (8-9 ksi) |
≈ 30-40 MPa (4-6 ksi) |
|
982 درجه (1800 درجه فارنهایت) |
≈ 24-28 MPa (3.5-4 ksi) |
≈ 12-16 مگاپاسکال (1.7-2.3 ksi) |
|
1093 درجه (2000 درجه فارنهایت) |
≈ 10-14 MPa (1.5-2 ksi) |
≈ 5-8 مگاپاسکال (0.7-1.2 ksi) |
جدول 2. داده‌های گسیختگی تنش{1} برای Hastelloy X در دمای معمول بخش احتراق توربین گاز. ارزش ها تقریب های گویا هستند که از محدوده های مرجع معمولاً ذکر شده گردآوری شده اند. تنش واقعی مجاز طراحی باید در برابر برگه اطلاعات تولیدکننده فعلی، کد طراحی قابل اجرا، و هر پروژه-آزمایش صلاحیت خاص، با توجه به ایمنی{4}}ماهیت حیاتی سخت افزار احتراق توربین گاز تأیید شود.
این داده‌ها نشان می‌دهد که چرا طراحی لاینر احتراق و مجرای انتقال اساساً به‌جای محاسبه تنش مجاز- یک تمرین ترسیم‌شده با درجه حرارت و موضعی است: دمای واقعی فلز به‌دلیل الگوهای سوراخ‌های خنک‌کننده، اثربخشی خنک‌کننده فیلم، و ترکیبی از شرایط گرم محلی، به‌طور قابل‌توجهی تغییر می‌کند. دما و تنش شدیدترین است - نه لزوماً بالاترین دمای اسمی عملیاتی به تنهایی. این دقیقاً نوعی کاربرد است که در آن پارامتر لارسون-میلر، که در ادامه مورد بحث قرار گرفت، به جای یک تمرین آکادمیک، به یک ابزار طراحی عملی تبدیل می‌شود.
چگونه پارامتر لارسون{0}}میلر برای پیش‌بینی عمر طولانی Hastelloy X-استفاده می‌شود؟
پارامتر Larson-میلر معمولاً برای برون یابی عمر گسیختگی طولانی مدت Hastelloy X از داده‌های آزمون کوتاه‌تر-مدت زمان استفاده می‌شود، به دنبال روش‌های پارامتر دما{3} یکسانی است که به طور گسترده در آلیاژهای با درجه حرارت بالا-گرچه استفاده از آلیاژهای نیکل مانند آلیاژهای نیکل{5} استفاده می‌شود. متفاوت لارسون-ثابت میلر نسبت به مقداری که معمولاً برای فولاد ضد زنگ ذکر می شود.
رابطه لارسون-میلر همان شکل کلی را دارد که در سایر راهنماهای فنی در مورد پیش‌بینی گسیختگی خزش توضیح داده شده است:
LMP=T × (C + log₁0 tᵣ)
در جایی که T دمای مطلق است، tᵣ زمان گسیختگی بر حسب ساعت است، و C یک ماده{0}} ثابت خاص برازش داده‌های آزمایش است. سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل-، از جمله Hastelloy X، معمولاً با استفاده از یک ثابت لارسون تجزیه و تحلیل می‌شوند-ثابت میلر در محدوده تقریباً 15-17، متمایز از ثابت تقریباً 20 که معمولاً برای فولادهای زنگ نزن آستنیتی ذکر می‌شود - یک یادآوری است که روش لارسون به طور کلی برازش دارد، اما در چارچوب لارسون ثابت است{8} واقعاً آلیاژ{9}}خاص است و هرگز نباید تصور کرد که بین خانواده‌های آلیاژی مختلف منتقل می‌شود.
برای طراحی Hastelloy X و ارزیابی عمر باقی‌مانده، مهندسان باید به جای استفاده مجدد از یک ثابت توسعه‌یافته برای آلیاژ غیرمرتبط شیمیایی، از منحنی اصلی لارسون-میلر که برای خود Hastelloy X ایجاد و منتشر شده است، استفاده کنند، که عموماً از داده‌های منتشر شده تولیدکننده در دسترس است.
چرا Hastelloy X به طور خاص برای آسترهای احتراق و کانال های انتقال مناسب است؟
Hastelloy X مخصوصاً برای آسترهای احتراق و کانال‌های انتقال مناسب است زیرا این اجزا به ترکیبی غیرعادی از-استحکام دمایی بالا، مقاومت در برابر اکسیداسیون عالی، مقاومت خوب در برابر خستگی حرارتی ناشی از چرخه‌های سریع راه‌اندازی و خاموش شدن، و شکل‌پذیری به شکل‌های نازک و پیچیده ورقهای فلزی {{1}به‌صورت ترکیبی بسیار نازک- با ترکیبی بسیار بالا نیاز دارند.
آسترهای احتراق و مجرای انتقال مخازن فشار ساده نیستند. آنها ساختارهای ورقهای{0}}نازک، اغلب سوراخ‌دار (برای فیلم هوای خنک‌کننده) هستند که به شکل هندسه‌های منحنی پیچیده شکل می‌گیرند و به مجموعه‌هایی جوش داده می‌شوند که نه تنها باید در دمای بالا پایدار باقی بمانند، بلکه باید چرخه حرارتی سریع و مکرر در طول هر روشن شدن و خاموش شدن موتور زنده بمانند.
این چرخه حرارتی، خستگی حرارتی کم{0}}چرخه را به عنوان یک نگرانی طراحی واقعی در کنار خزش معرفی می‌کند، و ریزساختار سخت‌شده،-محلول جامد-Hastelloy X، بدون{3}بارندش{4}}معمولاً مقاومت خوبی در برابر این مکانیسم ترک خوردگی، نسبت به ترد شدن{5}بیشتر ایجاد می‌کند. ترکیب با ورق مطلوب-شکل دهی و جوشکاری فلزات - که پیامد مستقیم مکانیزم تقویت آن است، که قبلاً مورد بحث قرار گرفت. - Hastelloy X به ترکیب خاص و سخت نیازمندی‌ها می‌پردازد.
چگونه قابلیت ساخت Hastelloy X با بارندگی مقایسه می شود-سوپرآلیاژهای سخت شده؟
Hastelloy X عموماً شکل‌پذیری و جوش‌پذیری بهتری نسبت به بارندگی-سوپرآلیاژهای نیکل سخت شده ارائه می‌دهد، زیرا مکانیزم تقویت‌کننده محلول جامد- آن به فاز رسوبی که حرارت جوشکاری یا عملیات شکل‌دهی می‌تواند مختل شود، بستگی ندارد، در حالی که بارندگی-آلیاژهای حرارتی سخت‌شده اغلب برای کنترل و کنترل دقیق‌تری نیاز دارند.
ته نشینی-سوپرآلیاژهای سخت شده بیشتر استحکام خود را از یک فاز گامای با دقت توسعه یافته-پرایم یا مشابه فاز رسوبی بدست می‌آورند، و جوشکاری این آلیاژها می‌تواند به صورت موضعی در منطقه تحت تأثیر حرارت-رسوب می‌کند و گاهی اوقات منجر به کرنش-در طول عملیات حرارتی پس از سن می‌شود. با دقت تطبیق داده شد
مکانیزم تقویت‌کننده محلول جامد Hastelloy X از بسیاری از این پیچیدگی کنار می‌زند: از آنجایی که استحکام آن به رسوبی که جوشکاری می‌تواند مختل کند بستگی ندارد، به طور کلی یکی از جوش‌پذیرتر آلیاژهای نیکل با دمای بالا- در نظر گرفته می‌شود و معمولاً می‌تواند به شکل ورق منحنی پیچیده‌ای که معمولاً به شکل‌های سخت‌افزاری منحنی پیچیده‌تر از سخت‌افزارهای فلزی منحنی نیاز دارد، تشکیل شود. بارندگی-جایگزین های سخت شده در همان برنامه وجود دارند. این مزیت ساخت‌پذیری دلیلی واقعی و عملی است که Hastelloy X برای اجزای احتراق شکل‌دهی شده و جوش داده شده مشخص می‌شود، حتی در مواردی که آلیاژ سخت‌شده-مقاومت‌تر{5}} ممکن است خواص مکانیکی خام برتری را روی کاغذ ارائه دهد.
محدودیت های دمایی عملی برای Hastelloy X در سرویس توربین گاز پایدار چیست؟
Hastelloy X به طور کلی برای سرویس سازه پایدار تا حدود 1000 تا 1100 درجه بسته به سطح تنش و عمر مفید مورد نیاز است، با مقاومت اکسیداسیون کوتاه مدت تا حدودی بالاتر، به این معنی که محدودیت‌های دمایی طراحی محفظه احتراق توسط تنش محلی خاص و عمر خزش مورد نیاز در هر مکان در دمای قطعه تنظیم می‌شوند، نه یک لایه در دمای قطعه.
یک رویکرد عملی برای اعمال این محدودیت های دما در طراحی سخت افزار احتراق:
1. دمای فلز محلی را در سراسر هندسه اجزای واقعی ترسیم کنید.به جای طراحی روی یک دمای اسمی گاز، الگوهای سوراخ خنک کننده و اثربخشی خنک کننده فیلم را در نظر بگیرید.
2. داده های گسیختگی خزش را در دمای محلی خاص و ترکیب تنش اعمال کنید.با درک اینکه شرایط طراحی حاکم ممکن است در یک نقطه داغ به جای دمای متوسط عملیاتی رخ دهد.
3. خستگی چرخه حرارتی را جداگانه از خزش در نظر بگیرید،از آنجایی که اجزای احتراق هر دو مکانیسم را به طور همزمان در چرخه های مکرر استارت-توقف موتور تجربه می کنند.
4. داده های تنش و گسیختگی مجاز فعلی را در برگه داده منتشر شده تولیدکننده تأیید کنید.از آنجایی که داده‌های گسیختگی خزش{0}}اطلاعات{0}}ایمنی حیاتی هستند که باید مستقیماً به‌جای تقریبی از محدوده مرجع عمومی برای اهداف طراحی نهایی تهیه شوند.
5. پوشش های محافظ را در نظر بگیرید که شرایط محلی از محدودیت های عملی بدون پوشش Hastelloy X فراتر رود.از آنجایی که موانع حرارتی یا پوشش‌های مقاوم در برابر اکسیداسیون-معمولاً در طراحی بخش داغ-توربین گاز استفاده می‌شوند تا عمر مؤثر اجزا را فراتر از قابلیت پوشش‌نخورده آلیاژ پایه افزایش دهند.
سوالات متداول
Hastelloy X همان Inconel 625 یا Inconel 617 است؟
خیر - در حالی که هر سه سوپرآلیاژهای جامد-محلولی-بر پایه نیکل تقویت شده-با برخی شباهت‌های ترکیبی هستند، هر کدام دارای مشخصات شیمیایی و خصوصیات آلیاژی متمایز هستند. Hastelloy X به‌ویژه به دلیل ترکیبی از قابلیت ساخت و مقاومت در برابر اکسیداسیون در برابر احتراق، مورد توجه قرار گرفته است، در حالی که Inconel 617 و 625 دارای پروفایل‌های مقاومت و مقاومت در برابر خوردگی متمایز خود هستند که برای کاربردهای متفاوت مناسب است.
آیا می توان از Hastelloy X برای چرخاندن اجزای توربین گاز مانند پره ها و دیسک ها استفاده کرد؟
به طور کلی هیچ - Hastelloy X در درجه اول برای اجزای بخش احتراق ورق فلزی استاتیک استفاده نمی شود. اجزای دوار مانند پره‌ها و دیسک‌های توربین معمولاً به سوپرآلیاژهای سخت‌شده یا تک بلوری-به‌طور خاص برای تنش گریز از مرکز و نیازهای خزش سخت‌افزار دوار-به استحکام بالاتری نیاز دارند.
آیا Hastelloy X نیاز به عملیات حرارتی پس از جوش- دارد؟
Hastelloy X معمولاً به دلیل مکانیسم تقویت محلول جامد-به پیچیدگی عملیات حرارتی پس از جوشکاری کمتری نسبت به بارندگی-سوپرآلیاژهای سخت شده- نیاز دارد، اگرچه گاهی اوقات پس از شکل‌دهی یا جوشکاری برای کاهش تنش پسماند و بازیابی خواص بهینه از آنیل محلول استفاده می‌شود، و الزامات خاص باید از مجموع خاص ساخت غیرقابل اجرا پیروی کنند.
چگالی Hastelloy X چقدر است و چگونه با فولاد ضد زنگ مقایسه می شود؟
Hastelloy X دارای چگالی تقریباً 8.2-8.3 g/cm³ است که نسبتاً بالاتر از فولاد زنگ نزن آستنیتی استاندارد (تقریباً 8.0 گرم بر سانتی‌متر مربع) است و معمولاً برای سوپرآلیاژهای{3} بر پایه نیکل با توجه به محتوای نیکل بالای آنها نسبت به رنگ‌آمیزی مبتنی بر آهن{4} معمول است.
آیا Hastelloy X هم برای اکسید کردن و هم برای کاهش{0} اتمسفر دمای بالا مناسب است؟
Hastelloy X عموماً به دلیل مقاومت خوب در اتمسفرهای اکسید کننده، کاهنده و خنثی در دمای بالا شناخته شده است، که بخشی از جذابیت گسترده تر آن فراتر از کاربردهای احتراق توربین گاز، از جمله کوره های صنعتی و تجهیزات تصفیه حرارتی{0}} است، اگرچه شیمی اتمسفر خاص همچنان باید برای هر کاربرد با شرایط غیرمعمول یا بسیار تهاجمی ارزیابی شود.
