مدلسازي مكانيكي و تخمين عمر پوشش‌هاي حفاظت حرارتي پره‌هاي توربين گاز

كارشناسي ارشد

به دنبال گسترش استفاده از پوشش‌هاي حفاظتي در توربين‌هاي گاز، ارائه‌ي يك روند سيستماتيك براي ارزيابي عمر اين پوشش‌ها امري ضروري به نظر مي‌رسد. هدف اين پروژه، در وهله‌ي اول مدلسازي و ارزيابي عمر فرسايش قطعات و به طور خاص قطعات داراي پوشش‌هاي حفاظتي، و در ادامه ارائه‌ي يك برنامه‌ي جامع ارزيابي عمر فرسايش براي آن‌ها مبتني بر تلاش‌هاي بين‌المللي پيشين مي‌باشد. به منظور كاهش هزينه و زمان محاسبات، يك مدل المان محدود سه‌بعدي براي شبيه‌سازي برخورد ذرات جامد به هدفي از جنس آلياژ Ti-6Al-4V با استفاده از تكنيك المان حجم نمونه (RVE) ارائه مي‌گردد. پس از اعتبارسنجي و تأييد صحت مدل المان محدود، بهترين چيدمان پوشش‌هاي تيتانيوم‌نيتريدپايه (TiN-based) بر روي بستر آلياژ Ti-6Al-4V به صورت عددي تعيين مي‌گردد. بدين منظور، در ابتدا مشخصات بهترين پوشش تك‌لايه‌ي TiN تعيين مي‌شود تا به عنوان مرجعي براي پيكربندي پوشش‌هاي چندلايه مورد استفاده قرار گيرد. سپس اثر ضخامت، مدول يانگ، لايه‌هاي پوشش تيتانيوم‌آلومينيوم‌نيتريد (TiAlN) و لايه‌هاي نرم تيتانيومي (Ti) بر مقاومت فرسايشي پوشش‌ها مورد بررسي قرار مي‌گيرد تا چيدمان پوشش بهينه‌ي چندلايه تعيين گردد. در نهايت، پوشش بهينه‌شده بر روي آلياژ Ti-6Al-4V از طريق فرآيند رسوب‌دهي فيزيكي بخار (PVD) بارگذاري شده و عمر فرسايشي آلياژ پوشش‌دار و بدون‌پوشش به صورت تجربي مورد مطالعه قرار مي‌گيرد. نتايج مدلسازي نشان مي‌دهد كه يك پوشش چندلايه با چيدمان TiN/Ti/TiAlN بهترين مقاومت در مقابل فرسايش را در مقايسه با ساير چيدمان‌هاي مورد بررسي در اين پژوهش خواهد داشت. اين پوشش از يك لايه‌ي زيرين TiAlN به ضخامت 9 ميكرون و مدول يانگ 526 گيگاپاسكال، يك لايه‌ي مياني نرم Ti به ضخامت 8/0 ميكرون و يك لايه‌ي رويين TiN به ضخامت 1 ميكرون و مدول يانگ 300 گيگاپاسكال تشكيل شده است. نتايج تجربي نشان مي‌دهد كه حداكثر نرخ فرسايش براي آلياژ بدون پوشش در زاويه‌ي 45 درجه و براي آلياژ پوشش‌دار در زاويه‌ي 90 درجه اتفاق افتاده است. هم‌چنين به طور ميانگين ارتقاي 7/2 مرتبه‌اي عمر فرسايش براي نمونه‌هاي پوشش‌دار در مقايسه با نمونه‌هاي بدون پوشش ثبت گرديده است.

193061

دانشگاه علم و صنعت ايران

مهندسي هوافضا - سازه هاي هوايي

دكتر بيژن محمدي سنگجويي