پوشش MCrAlY با لیزر

گزارش مپسا از ایجاد پوشش MCrAlY با لیزر ، تولید این پوشش با روش روکش دهی(لایه نشانی) لیزر انجام شده است. این پوشش ها کاربرد زیادی در ایجاد مقاومت به اکسیداسیون و خوردگی در صنایع توربینی و هوایی دارند. 

مپسا در زمینه پوشش دهی و روش های نوین آن به منظور رشد اقتصاد دانش بنیان گام های بسیار مهمی برداشته است و با همکاری نخبگان و متخصصان توانمند در صنایع پوشش دهی امکان ایجاد پوشش های گوناگون در صنایع توربینی و هوایی فراهم گردیده است.

با توجه به خط و مشی مجموعه توسعه پوشش‌دهی از لحاظ تکنولوژیکی از اولویت های کاری ماده پژوهان سپهر ایرانیان است و از آنجایی که پوشش دهی در بسیاری از صنایع مهم و مورد توجه است، ضرورت پیشرفت و بومی سازی در حوزه پوشش ها در راستای خودکفایی و تولید داخل بر کسی پوشیده نیست .

در صنایع پیشرفته ، ایجاد پوششهای مقاوم به اکسیداسیون و خوردگی داغ بسیار حیاتی است، پوشش مورد نیاز در کاربردهای دما بالا پوشش‌های سد حرارتی (TBC) است که در این پوشش ها به صورت مرسوم  ترکیبات فلزی (MCrAlY ) به عنوان لایه میانی مقاوم به اکسیداسیون و لایه سرامیکی زیرکونیا پایدار شده با ایتریا (YSZ) به عنوان عایق حرارتی برای زیر لایه فلزی مورد استفاده قرا میگیرد.

M می‌تواند Ni، Cr، Fe و یا ترکیبی از آن‌ها باشد. روکش‌دهی لیزری می‌تواند یک روش جایگزین برای پاشش حرارتی در تولید لایه‌های ضد اکسایش (Bond Coat) با کیفیت بالا در TBCها باشد. سوپرآلیاژهای NiCoCrAlY پایه نیکل و CoNiCrAlY پایه کبالت به طور گسترده به عنوان پوشش یا Bond Coat بین یک زیرلایه و یک سرامیک بالای آن در TBCها استفاده می‌شود و بطور فزاینده برای اجزای مکانیکی موتورهای توربین گازی به جهت چسبندگی خوبشان، مدول بالا، استحکام بالا و مقاومت در برابر اکسیداسیون دمای بالا استفاده می‌شوند. آلیاژهای NiCoCrAlY و CoNiCrAlY متشکل از مقادیر زیادی Cr با مقادیر کم Y، مهیا شده‌اند که به صورت محلول جامد سخت می‌شوند. این اثرات کاملا پایدار هستند و به عنوان یک مانع حرکت نابجایی در مرزهای دانه عمل می کنند که سبب مقاومت در برابر خزش این آلیاژها می شود. محتوای Al بین ۸ و ۱۵ درصد اجازه رشد آهسته به لحاظ حرارتی پایدار، چسبنده و ادامه‌دار لایه اکسیدی α-Al_2 O_3 را می‌دهد، و چسبندگی لایه اکسیدی به زیرلایه تحت تأثیر توزیع Y در آلیاژ قبل از فرآیند نشاندن یا رسوب‌سازی قرار می‌گیرد. به علاوه آن مقدار فاز β-(Ni,Co)Al که سخت‌تر از فاز زمینه گاما در پوشش‌های γ/β (MCrAlY) است را افزایش می‌دهد.

امروزه روش لایه نشانی لیزر (LC) در مپسا به عنوان یک روش جایگزین جهت تولید پوشش‌های TBC توجهات را به خود جلب کرده است. ایجاد پوشش MCrAlY با لیزر می‌تواند به عنوان یک روش تولید سریع متشکل از رسوب‌نشانی مستقیم آلیاژهای فلزی با دمای ذوب بالا از قبیل آلیاژهای MCrAlY به کار برده شود.
فرآیند لایه‌نشانی یا روکش‌دهی لیزر می‌تواند جهت تولید پوشش‌های چگال عاری از حفره‌ها و ترک‌ها استفاده شود، که مقاومت اکسیداسیون‌ آ‌ن‌ها را بالا می‌برد. این تکنیک همچنین هم برای قسمت‌ها و اجزای کوچک و بزرگ با هندسه‌های پیچیده به کار برده شود. حتی قطعه‌های سه بعدی پیچیده توسط LC و با استفاده از پودر یا سیم جامد به عنوان ماده‌ی اولیه‌ی خام می‌تواند پوشش داده شود. به همین ترتیب فرآیندهای رسوب نشانی لیزری (LMD) از این اصل جهت رسوب‌دهی لایه به لایه مواد در فرآیند تولید افزایشی جدید استفاده می‌کند. پوشش‌های پیوسته عاری از حفره‌ها و ترک‌ها توسط این تکنیک‌ها زمانی‌که شرایط تجربی به خوبی کنترل شود بدست‌ می‌آید. یعنی پارامترهای لایه‌نشانی لیزر و گاز محافظ می‌تواند کنترل شود تا مینیموم رقت شیمیایی از آلیاژ پوشش با زیرلایه و بدست آید و نواقص کاهش یابد. این خواص باعث بهبود مقاومت مکانیکی و استحکام فصل مشترک با زیرلایه می‌شود. با این حال به علت رفتار ترد آلیاژهای MCrAlY در دماهای کم، شرایط تجربی باید به خوبی مطالعه شده و کنترل شود تا از تنش‌های باقیمانده و نواقص ماده (حفره‌ها، ترک‌ها، نواقص پیوند و…) جلوگیری گردد. علاوه بر این مطالعات زیادی گزارش شده است که ناحیه‌ی نفوذی بین پوشش و زیر لایه بدست می‌آید برای بهینه کردن خواص مکانیکی حاصل از آن بسیار مهم و حیاتی است، مطلوب است رقیق‌سازی شیمیایی پوشش به زیر لایه را کاهش دهد. علاوه بر این مدول الاستیک پوشش پیوندی Bond Coat نیز یک پارامتر مکانیکی مهم است، چون سیستم‌های TBC از چندین لایه تشکیل شده است. تنش‌های برشی بین لایه‌ها جهت جلوگیری از شکست‌های تورقی، باید تا حد امکان پایین باشد.
در دماهای بالا بیشتر فلزات ناگزیر در وضعیت‌های گسترده اکسید خواهند شد و فعل و انفعالات مختلفی بین مواد، زیر لایه و اتمسفر شامل نفوذ، نفوذ متقابل، تجزیه، تبخیر و رشد پوسته اکسیدی را می‌توان انتظار داشت. در پوشش پیوند MCrAlY سطح خارجی اکسیدی می‌شود تا که یک اکسید رشد یافته حرارتی TGO سطحی بشود که به TBC بچسبد. رفتار اکسیداسیون پوشش‌ها به شدت تحت تأثیر خواص پوشش از قبیل تخلخل و اکسیداسیون و توزیع اجزای MCrAlY در طول فرآیند رسوب‌نشانی باشد. در واقع، پوسته اکسیدی بر روی آلیاژهای MCrAlY، α-Al2O3 خالص نیست، آن‌ها می‌توانند همچنین شامل آخال‌های اکسیدی غنی از Y و دیگر فازهای اکسیدی از قبیل Cr2O3، NiO، CoO یا اسپینل‌های اکسیدیO4 2(Ni,Co)(Cr,Al)باشد.
به گزارش مپسا مطالعات زیادی در مورد اکسیداسیون دما بالا در پوشش‌های تولید شده با HVOF، APS، VPS یا EB-PVD شده است، با این حال تعداد کمی از مطالعات در مورد رفتار دما بالای NiCrAlY و NiCoCrAlY بدست آمده با روش‌های لیزر و لایه‌نشانی لیزری که می‌تواند یک جایگزین جدید فرآیندهای پاشش حرارتی باشد، که یکپارچگی پوشش‌های محافظ حرارتی را تقویت می‌کند، انجام یافته است.

مپسا با استفاده از تکنولوژی لیزر فیبری ایجاد پوشش MCrAlY با لیزر را جهت کاربرد در صنایع خاص در دستور کار دارد.