1. Uvod

Površinska obrada je stara koliko i tehnologija materijala. Razlog za obradu površina je stvaranje dijelova s poboljšanom trajnošću ili boljim antikorozivnim svojstvima. Kroz povijest inženjeri su mijenjali površinu načinima mehaničke, toplinske i kemijske obrade da bi dijelovima pomogli u podnošenju uvjeta eksplotacije. Međutim, inženjestvo površina kao znanstvena disciplina postoji samo 30 godina i nastala je kroz razvoj fizikalnih i kemijskih tehnoligija.

PVD, CVD kao i plazma i tehnologija snopa ( zrake ) su pokretačka snaga u tehnikama površinske obrade kao i interdisciplinarna tehnologija.Specijaliziranije primjene i potreba za visoko učinkovitim materijalima je uvjetovala razvoj profila svojstava koja se ne mogu postići razvojem legura i obradama osnovnog komada, već zahtjevaju postizanje svojstava površina prema željama korisnika.

Dominantnu ulogu za nastanak, razvoj i primjenu prevlaka imaju avio i automobilska industrija, koje su svojim ubrzanim razvojem potaknule sve veća istraživanja. Ovaj razvoj se ostvario kroz dodatna usavršavanja temeljena na pridnošenju različitih disciplina. Osim toga, prednosti nove tehnologije se trebaju dokazati za vrijeme dugog razdoblja intenzivnog testiranja ( kao i svaka druga konvencionalna tehnologija površina ).

Termalne barijere ( TBC-thermal barrier coatings ) imaju veliki značaj u industrijama kao što su zrakoplovna i automobilska, a nanosimo ih na dijelove gdje se pojavljuje rad na visokim temperaturama u uvjetima toplinskog šoka, te djelovanja agresivne i erozivne okolne sredine.

Ovisno o namjeni koristi se veći broj različitih slojeva koji se razlikuju po kemijskom sastavu, broju slojeva, debljini slojeva, strukturi, poroznosti i načinu dobivanja.

U nastavku ovog seminarskog rada navedeni su tipični primjeri gdje se termalne barijere danas koriste.

1

Dijelovi plinskih turbina- komore sagorijevanja, statorske lopatice, rotorske lopatice, plaštevi i platforme.

Za izradu zaštitnih obloga u svemirskim letjelicama i nuklearnim centralama.

Diesel motori-košuljica cilindra, klipovi, ventili, ispušni i ulazni otvori, toplinski plaštevi i kućišta.

Izmjenjivači topline

U eksperimentalnom dijelu seminarskog rada-prikazan je tipićan primjer trošenja TBC sloja i potpuno raspadanje turbine uzrokovano trošenjem samog sloja.

2

2. PLINSKE TURBINE

2.1. Opće karakteristike

Da bi se što bolje prikazala sama tematika ovog seminarskog rada, važno je nešto više reći i o samim turbinama, njihovim karakteristikama, načinu rada te njihovoj primjeni.

Naziv turbina potjeće od latinske riječi turbo, što znači vrtlog.

Plinske turbine nalaze se u skupini strojeva zajedno s:

• vodenim pumpama,• turbopumpama,• ventilatorima,• turbokompresorima,• parnim turbinama,• mlaznim motorima.

Ta skupina strojeva predstavlja turbostrojeve tj. rotacijske strojeve, koji enegiju strujanja nekog fluida iz prostora s višim tlakom, pretvaraju u mehanički rad rotora. Postoji i obrnuta mogućnost, da mehanički rad dobiven u rotoru, pretvaraju u strujanje medija iz prostora s nižim tlakom, u prostor s višim tlakom.S obzirom da postoji podjela na pogonske i radne strojeve, plinske turbine spadaju u pogonske strojeve.

U Hrvatskoj se tvornica plinskih turbina nalazi u Karlovcu. Uz dugogodišnje iskustvo u proizvodnji komponenti i sklopova mlaznih motora i plinskih turbina, slika 1, te suradnjom sa istaknutim zapadnim i istočnim proizvođačima spomenute opreme (Rolls Royce, Turbokomerca, SMPO...), tvornica plinskih turbina je međunarodno afirmirana, te se svrstala u red proizvođača koji koriste najsuvremenije tehnologije.

3

Slika 1: Postavljanje plinskoturbinskog agregata na termoelektranu [1]

2.2. Osnovni dijelovi i princip rada

Postoje dva dijela svake turbine: stator s mirujućim statorskim lopaticama smještenim u kućištu i radno kolo s rotorskim lopaticama razmještenim po obodu diska, slika 2.

Statorske i rotorske lopatice čine kanale kroz koje struji fluid i u kojima se zbivaju termodinamičke promjene i pretvorba energije. Na Jedno ili više radnih kola pričvršćeno je vratilo, kojim se okretni moment preko spojke prenosi na radni stroj. Vratilo s radnim kolokm ili više njih naziva se turbnski rotor. Da radni fluid ne bi izlazio u okolinu, radni prostor turbine zatvoren je kućištem turbine, koje istodobo štiti rotor od oštećenja.Rotor leži u potpornim nosivim ležajvima koji preuzimaju radijalne sile, dok aksijalnu silu preuzima odrivni ležaj.Odrivni i nosivi ležajevi, osim toga, služe za radijalno i aksijalno vođenje rotora, tj. za osiguranje aksijalnog i radijalnog zazora pri okretanju. Na mjestima gdje rotor prolazi kroz kućište ugrađuju se bedodirne labirintne brtve koje sprečavaju izlazak fluida u okolinu.[1]

4

Slika 2: Prikaz osnovnih dijelova plinske turbine [1]

2.2.1. Rotor

Turbinski se rotora sastoji od vratila i radnih kola, koja čine diskovi i rotorske lopatice. Za plinsku turbinu rotor može biti od diskova, zatim u obliku bubnja, slika 3, ili kombinacija diskova i bubnja. Rotor od diskova najčešće je bez središnjeg provrta, pa je čvršći,a izrađuje se od manjih pojedinačnih otkivaka. Primjenjuje se u jako opterečenim turbinama, posebice u turbinama mlaznih zrakoplovnih motora. Ako ima više stupnjeva, izrađuje se spajanjem pojedinačnih diskova vijcima, zavrtnjima i klinovima, radijalnim klinovima koji omogučuju temperaturne diletacije spojenih elemenata te ozubljenjem koje osigurava centričnost i sprečavanje dodatnih naprezanja pri brzim temperaturnim promjenama.Rotor u obliku bubnja i kombinacija diskova s bubnjem konstrukcijom su veoma slični rotoru parnih turbina. Oni se mogu u potpunosti izraditi kovanjem ili zavarivanjem.

Slika 3: Rotor plinske turbine u obliku bubnja [1]

5

Rotor toplinski vrlo opterećene plinske turbine često se treba hladiti, što je moguće na tri načina:

• radijalnim puhanjem zraka na središnji dio diska i radijalnim širenjem prema periferiji, čime se sprečava dodir površine diska s vrućim plinovima,

• dovođenjem mlaza zraka na obod diska kroz niz provrta, cijevi ili malih sapnica smještenih u kućištu turbine,

• dovođenjem zraka kroz zazore između korijena lopatica i proreza u rotoru, uz intenzivno hlađenje i korijena lopatica i oboda diska.

2.2.2. Rotorske Lopatice

Zbog velike brzine vrtnje rotora, centrifugalna sila u lopaticama urzokuje velika vlačna naprezanja u spojevima lopatica i oboda diska. Obodna sila, koja stvara korisni zakretni moment na vratilu turbine, savija lopatice u ravnini diska. Zbog razlike tlaka ispred i iza lopatica, one se dodatno savijaju u ravnini osi vratila turbine.

Savojne sile koje djeluju na rotorske lopatice nisu stalne, već se neprekidno mijenjaju zbog nejednoličnosti toka radnog fluida. Sve lopatice plinskih turbina radi pri visokim temperaturama, što uzrokuje puzanje materijala. Osim toga, plinovi izgaranja kod plinskih turbina uzrokuju visokotemperaturnu koroziju i smanjuju otpornost lopatica prema stalnim i promijnjivim naprezanjima te povečavaju energetske gubitke.

Rotorska se lopatica sastoji od radnog dijela ili lista i korijena ili noge.List je profiliran, pa uz određeni korak i ugradbeni kut oblikuje rotorske kanale. Korijen služi za pričvršćivanje lopatice na disk. Na vrhu lista može biti izdanak za pričvršćivanje bandaže zakivanjem.Lopatice plinskih turbina imaju tzv. jela korijen, slika 4, koji se tako naziva zbog sličnosti s oblikom istoimenog drveta.On se aksijalno ulaže u obod diska,a mnoge površine na koje se oslanja ( nosive površine ) osiguravaju mu veliku nosivu sposobnost.Katkad se korijen i utor u disku izrađuju u obliku luka, da bi se korijenski presjek lopatice nalazio na samom vrhu korijena bez prijelaznog dijela,a ujedno da bi se zbog zakrivljenosti ostvarile vće nosive površine uz jednaku širinu oboda diska. Lopatica se učvršćuje u aksijalnom smjeru pomoču dva osigurača. Prije uvođenja lopatice u utor jedan se kraj osigurača savija prema tijelu korijena, a drugi prema površini diska slika 5. [1]

6

Slika 4: Jela-korijen lopatice posljednjih stupnjeva kondenzacijske turbine 1-korijen, 2-disk [1]

Slika 5: Masivne rotorske lopatice plinske turbine s jela-korijenom 1-lopatica, 2-disk, 3-osigurač [1]

7

2.2.3. Materijali za izradu rotorskih lopatica

Za izradu lopatica plinskih turbina upotrebljavaju se vatrootporne niklene slitine te metalokeramika. Suvremeni vatrootporni čelici i slitine omogućuju dugi radni vijek plinske turbine uz temperature plinova izgaranja na ulazu u turbinu sve do 1200°C.

Vatrootporni čelici moraju posjedovati sljedeća svojstva:

• dovoljno visoka granica razvlačenja pri povišenim temperaturama,

• dovolno visoka otpornost puzanju izražnu preko granice puzanja ( 1% deformacije ) za 1000 sati,

• visoku otpornost oksidaciji-ljuskanju.

Kromovi Cr-Si-Al čelici imaju nisku žilavost i u uporabi naginju krhkosti u području temperatura 600 do 700°C i iznad 950°C. Da bi se spriječile ove pojave čelicima se dodaje Ni u takvom udjelu da nastaje feritno/austenitna struktura. Povišenje otpornosti prema ljuskanju postiže se tek iznad 25% nikla.

Za izradu rotorskih lopatica se uglavnom koriste austenitni čelici:

X 15 CrNiSi 2520 -2% Si, 1% Mn, 25% Cr, 20% Ni (uporaba do 1200°C)X 12 CrNiSi 3616-1,7% Si,1,5% Mn,16% Cr,35% Ni (uporaba do1200°C)

Mogu se upotrijebiti i plinovi viših temperatura ako se elementi turbine hlade ili ako im je na površini nanešen zaštitni sloj. Lopatice turbina za zrakoplove difuzijski se prevlače aluminijem ili njegovom smjesom s kromom ili silicijem. Tako se na površini stvara sloj debljine 40...60 µm,koji je vrlo otporan na toplinu , eroziju i koroziju, pa se radni vijek takvih lopatica, uz temperature plinova izgaranja na ulazu u turbinu od 1100 do 1200°C produljuje 2 do 3 puta. [1]

8

3. Primjer oštećenja lopatice

Prikazan je tipićan primjer oštećenja i trošenja lopatica plinskih turbina kod automobilskih dieselskih motora. Tlačna turbina dieselskog motora omogućuje sigurno okruženje svojih sastavnih dijelova. Osim visokih temperatura, potrebno je uzeti u obzir vibracije uzrokovane rotacijom iznad 10 000 okr/min. i sredstva za podmazivanje odnosno hlađenje dijelova turbine. Sa temperaturama koje se danas koriste kod dieselskih motora, neučinkovitost TBC prevlaka rezultirala bi topljenjem lopatica. Čak i kad se to ne bi dogodilo, lopatice bi propale zbog ubrzane oksidacije i ovisno o okolini , visokotemperaturne korozije.

Prevlake mogu značajno povećati otponost ovih komponenti prema gore navedenim tipovima trošenja, kako je prikazano na slici 11. Čak i kad se to ne bi dogodilo, lopatice bi propale zbog ubrzane oksidacije i ovisno o okolini, visokotemperaturne korozije.

Slika 6: Potrošeni dio lopatice ( rotor ) plinske turbine automobilskog diesel motora, Passat 1,9 TDI, 81 kW

Drugačiji uvijeti rada uzrokuju različite stupnjeve mehaničkih oštećenja. Vezano uz oksidaciju i visokotemperaturnu koroziju, prevlake će se poboljšati putem difuzije sa osnovnim materijalom budući da nisu u termodinamičkoj ravnoteži.

9

4. Termalne barijere

4.1. Osnovne karakteristike

Nove generacije avio turbinskih motora zahtijeva korištenje viših radnih temperatura u cilju uštede goriva i smanjenje emisije izlaznih plinova. Tako se površina toplinski najopterećenijih dijelova zaštićuje s keramičkim slojevima, jer pri dužem radu motora temperatura na površini osnovnog materijala dostiže preko 1100 ºC.Na tim temperaturama se javlja problem međudifuzije metalnog vatrootpornog sloja McrAlY i metalne osnove ( legure Ni ), što za relativnokratko vrijeme dovodi do odvajanja TBC prevlake i uništenja lopatica. Zato vrloznačajan napredak u razvoju TBC prevlaka vezan za upotrebu podsloja, sa funkcijom difuzijske barijere tipa Al-O-N.

Primjetan je osjetan pad temperature u području TBC prevlake koji se ostvaruje putem konvekcije, a uvelike pridonosi trajnosti lopatica, slika 7.

Slika 7: Shematski prikaz TBC prevlake s rasporedom temperatura po dubini prevlake

10

Danas se uveliko dostižu radne temperature od 1550 ºC u primjeni za vojne avione. Ponekad se postigne temperatura u unutrašnjosti turbine i do 1700 ºC,što nameće potrebu razvoja novih materijala metalne osnove za lopatice turbina, jer postojeći izdržavaju temperature do 1100 ºC, ali i da se razviju površinski slojevi tipa termalnih barijera. [1]

TBC slojevi trebaju istovremeno pružiti zaštitu od vanjskog agresivnog dijelovanja (korozivnog i erozivnog ) i sniziti stvarnu temperaturu na samoj površini metalne osnove na vrijednost koja je prihvatljiva za dugotrajan rad materijala lopatice (˂ 1100 ºC ).

TBC slojevi imaju dvostruku ulogu:

1. Mogućnost rada određenog materijala (metalne osnove )na temperaturama koje su iznad granice njegove izdržljivosti, putem spuštanja stvarne temperature za 200-400 ºC na unutrašnjoj površini TBC sloja.

2. Produljenje trajnosti tubine pri postojećim radnim uvjetima putem smanjenja efekta visokotemperaturne korozije i erozije, čime se povećava pouzdanost rada i smanjuju se troškovi eksplotacije.

Razvoj turbina danas se zaustavio na temperaturama unutrašnjosti turbine do 1550 ºC gdje su lopatice izložene eroziji i koroziji, te međudifuziji.

Stoga se nametnuo novi pristup proizvodnji ovako opterećenih dijelova turbina, a to je izrada prevlaka tipa TBC koje se sastoje od najmanje dva sloja.

vanjskog u pravilu debljeg sloja, napravljenog od keramičkog materijala, koji prije svega trebaju osigurati toplinsku izolaciju i otpornost na termošokove, te

unutarnjeg tanjeg sloja, koji omogućuje zaštitu od oksidacije razgradnje osnovnog materijala, ali ujedno osigurava dobru vezu između osnovnog materijala i vanjskog keramičkog sloja. [2]

4.2. Vrste i struktura TBC prevlaka11

U praksi postoje tri vrste TBC prevlaka, primjeri su prikazani slikom 8

Slika 8. Osnovne vrste TBC prevlaka koje se trenutno koriste [2]

Uglavnom se koriste Kermet prevlake i to samo kao prijelaszni slojevi kod gradijentnih TBC prevlaka, jer nemaju dovoljno dobra termoizolacijska svojstva da zamjene čistu keramiku, niti imaju mogućnost dovoljno visoke zaštite od visokotemperaturne korozije.

Međutim, njihova primjena omogućuje zanimljive kombinacije kod TBC slojeva, kao što je prikazano slikom 9, sa ciljem postizanja optimalnih svojstava.

Slika 9. Moguće kombinacije slojeva koje sadrže Kermet fazu [2]

Izbor materijala uvjetovan je fizikalno-kemijskim osobinama keramičkog,

12

metalnog i kermet sloja. Ovisno o vrsti osnovnog materijala i radne temperature za metalni sloj, djelovanje oksidne sredine i potrebne trajnosti za metalni dio TBC sloja danas se koriste legure: NiCr, NiAl, NiCrAlY, NiCoCrAlY ili CoCrAlY. Međutim, ovi oksidi imaju loša vezivna svojstva sa prevlakom i pucaju pri djelovanju toplinskog umora, što rezultira otpadanjem djelića prevlake. Zbog toga se dodaju male količine Y ili Ce, ali mogu se didavati i Hf, Er, Sc, Zr, La što povečava adheziju oksida i time spriječava daljni razvoj visokotemperaturne korozije.

TBC slojevi prikazani su slikom 10, kao i temperaturna raspodjela.

Slika 10: TBC slojevi i temperaturna raspodjela po dubini sloja

Uloga osnovnog materijala je da podnosi sva mehanička opterećenja i puzanje na radnoj temperaturi

Vezivni sloj mora biti dobro usklađen sa osnovnim materijalom zbog sprječavanja djelovanja vanjskih agresivnih medija, a s druge strane mora spriječiti difuzijske promjene u eksplotaciji. Istovremeno mora dati dobru adheziju (prijanjanje) sa osnovnim materijalom i vezu sa keramičkom prevlakom.

Vanjski sloj ima ulogu toplinske izolacije, a njegova kvaliteta ovisi o kompaktibilnosti sa vanjskim vezivom. [3]

13

4.3 Svojstva TBC prevlaka

Na svojstva TBC prevlaka utječe čitavi niz faktora, a njihovo djelovanje može se podjeliti u četri osnovne grupe:

1. Sastav TBC prevlaka- vezivni sloj, kerametalni sloj, keramički sloj, tip praha i morfologija čestica praha.

2. Utjecaj radne temperature- oksidacija, degradacija strukture zbog temperaturnih promjena, specifične osobine sloja kao posljedice uvijeta prevlačenja.

3. Djelovanje naprezanja-zaostala naprezanja u TBC kao posljedica tehnologije nanošenja prevlake, naprezanja izazvana radnim uvjetima, naprezanja stvorena uslijed djelovanja faznih promjena.

4. Utjecaj strukture TBC prevlaka-izbor postupaka prevlačenja, utjecaj parametara procesa i dodatnih postupaka nakon prevlačenja.

U cilju produljenja vijeka trajanja TBC slojeva provode se ispitivanja:

toplinske provodljivosti TBC slojeva, toplinskog umora TBC slojeva, visokotemperaturne erozije čestica, visokotemperaturne korozije TBC slojeva

Proizvođač turbo-mlaznih motora „Prat & Whitney Aircraff“ za svoje potrebe je razvio više sistema TBC prevlaka, a prikazani su u tablici 1. [2]

Tablica 1: Osnovna svojstva za tri tipa sistema TBC prevlaka [2]

14

5. Eksperimentalni dio

U eksperimentalnom dijelu ovog seminarskog rada bilo je potrebno odrediti kemijski sastav materijala ( potošeni dio rotora ) turbine i odrediti uzroke i prisutne mehanizme trošenja ovog turbinskog dijela. Također, provedena je usporedba ispitivanjem mikrotvrdoće i metalografskom snalizom uzorka. Potrebna ispitivanja i mijerenja provedena su u labaratorjima fakulteta Strojarstva i brodogradnje i labaratorijima instituta Ruđer Bošković.

5.1 Priprema uzoraka za mikrostrukturnu analizu

15

Ispitivanje uzorka analizirat će se svijetlosnom i elektronskom mikroskopijom i ispitivanjem mikrotvrdoće. Za ova ispitivanja izrađen je metalografski uzorak.

Osnovni uvijet za analizu mikrostrukture materijala i ispitivanje HV je pripremiti ravnu planparalelnu površinu uzorka. Završni uzorak mora imati visoki sjaj, a na površini uzorka ne smiju se vidjeti tragovi pripreme.

Takvu površinu dobivamo slijedom različitih operacija:

• izrezivanje uzorka,• grubo brušenje,• fino brušenje,• pred poliranje i• poliranje

U radu je korišten jedan uzorak nepoznatog kemijskog sastava, a izvađen je iz turbine automobila, točnije VW Passat 1,9 TDI, 81 kW.

Priprema uzorka je dijelom provedena u labaratoriju za metalografska ispitivanja FSB-a, a dijelom u kućnoj radionici.

Ona se sastoji od izrezivanja uzorka, poprečno na sloj uz obilato hlađenje na rezalici FSB-a i CNC 5-osnoj brusilici SXL 500.Koristila se rezna ploča za rezanja između 500 i 1000 HV.Nakon toga uzorak je zaliven u „ Durofix-2 “ (akrilna masa za lijevanje na hladno ). Poslije toga uzorak se brusio na brusnom papiru gradacije 180, 320 i 500 uz hlađenje čime je izvršeno grubo poliranje.Fino poliranje se izvodi pri brzinama okretanja 125 okr/min, podloga je najlon, a abrazivno sredstvo dijamantna pasta 6 µm uz lubrikant tvorničkog naziva „ Lubrikant blue “ ( sredstvo za podmazivanje ).

Nakon završene pripreme može se pristupiti ispitivanju mikrotvrdoće, a zatim i metalografskim ispitivanjima uzoraka. Mijerenje mikrotvrdoće i svijetlosna mikroskopija izvršena je u labaratoriju FSB-a, Zavod za matrijale, a slikama 11 i 12 prikazani su uređaji za dotićna ispitivanja.

16

Slika 11: Uređaj za mijerenje mikrotvrdoće „Wilson-Wolpert 2100B“[4]

Slika 12: Svjetlosni mikroskop „ Olympus BH 2 “ za metalografska ispitivanja [5]

5.2 Ispitivanja mikrotvrdoće uzorka

17

Ispitivanja mikrotvrdoće su provedena Vickersovom metodom kojom se mogu mijeriti i najtvđi materijali, a tvrdoća nije ovisna o primjenjenoj sili.Mijerenje tvrdoće i najtvrđih materijala omogučeno je primjenom dijamanta za penetrator u obliku istostrane četverostrane piramide s kutem između stranica od 136°.

Ovakav kut nije odabran nasumice, već se utiskivanjem penetratora s tim kutem dobivaju vrijednosti tvrdoće neovisne o primjenjenoj sili, pa se tvrdoća mekanih i tvrdih materijala može mijeriti primjenom iste sile, a isto tako se tvrdoća istog materijala može mijeriti s različitim opterećenjima.

Utiskivanjem ovakvog penetratora u materijalu ostaje otisak oblika piramide, slika 13. Kod Vickersove metode tvrdoća e zaključuje na osnovi veličine otiska.

Slika 13: Skica penetratora i otiska kod Vickersove metode

Tvrdoća se određuje prema izrazu:

18

HV = F / S ,Gdje su :

F- primjenjena sila,S-površina šuplje piramide nastale u materijalu.

Pomoću mjernog mikroskopa mijeri se dijagonala (d) baze piramide otisnute u materijalu, a tvrdoća se određuje prema izrazu:

HV = 0,189 F / d²

Gdje je: F-primjenjena sila u N, d-dijagonala baze piramide u mm.

Mikrotvrdoća je izmjerena Vickersovom metodom za navedeni uzorak, a rezultati mijerenja prikazani su tablicama 2. i 3.

Tablica 2: Rezultati mjerenja mikrotvrdoće osnovnog materijala

udaljenost od lijevog ruba [µm]

udaljenost od desnog ruba [µm]

razlika ∆ [µm] vrijednot tvrdoće [HV 0,2]

451 361 90 541444 359 85 562445 352 93 550458 355 103 501

srednja vrijednost tvrdoće

538,5

Tablica 3:Rezultati mjerenja mikrotvrdoće prevlake

Udaljenost od lijevog ruba [µm]

Udaljenost od desnog ruba [µm

razlika ∆ [µm] Vrijednost tvrdoće[HV 0,2]

19

438 358 75 726435 359 76 707446 360 86 690441 356 85 700

srednja vrijednost tvrdoće

705,75

Ispitivanjem mikrotvrdoće dolazi se do zaključka da tvrdoća osnovnog materijala približno odgovara mikrotvrdoaćama ispitivanih uzoraka u literaturi ( Metals handbook ), a sumlja u niklenu leguru je dijelomićno opravdana. Daljnjim ispitivanjima pokušat ćemo dokazati da je zaista riječ o niklenoj leguri.

5.3 Metalografska analiza uzorka

Metalografsko ispitivanje izvodi se prvo promatranjem poliranih uzoraka, jer je na taj način moguće uočiti porozitet,intermetalne spojeve, početak korozije, pukotine itd.Na slikama 14, 15, 16 i 17 prikazani su dijelovi neoštećenog i oštećeng ruba turbinske lopatice kao i njena prevlaka uz različita povećanja.

20

Slika 14: Neoštećeni rub lopatice plinske uz povećanje 500 x

Slika 15: Oštečeni rub lopatice plinske turbine uz povećanje 100x

21

Slika 16: Oštečeni rub lopatice plinske turbine uz povećanje 500x

Slika 17: TBC prevlaka uz povećanje 500x

22

Nakon toga potrebno je pojedine mikrostrukturne konstituente u materijalu učiniti vidljivim, tj. potrebno je razviti strukturu ili kako se to najčešće naziva nagristi uzorak. Stoga smo primjenili elektrokemijsko nagrizanje uzorka, tj. nagrizanje u smjesi destilirane vode ( 50 ml ) i dušične kiseline ( 50 ml ) u trajanju od 30 sekundi.Primječeno je da uzorak nije reagirao na kemijsko nagrizanje, ali je burno reagiro prilikom elektrokemijskog nagrizanja slika 18.

Slika 18: Mikroskopski snimak uzorka nakon kemijskog nagrizanja uz povećanje 1000x (bijelo područje je niklena osnova-matrica, dok su crna podrucja karbidi Ti i Cr)

5.4 Elektronska mikroskopija

Nakon svijetlosne mikroskopije, tj. analize uzorka svjetlosnim mikroskopom, ispitaivanje je provedeno elektronskim mikroskopom kojim smo ujedno napravili i mapping odnosno pokušali smo doći do kvalitativnih rezultata i saznati o kojoj je vrsti materijala riječ. Nakon mappinga došli smo do sljedećih zaključaka:

• u samom uzorku pojavilo se najviše nikla, pa se logično može zaključiti da je osnova, tj. baza niklena,• javljaju se legirni elementi:Al, Ti, Fe, Cr, Nb pa se na osnovu ovih legirnih elemenata može zaključiti da je riječ o nekoj vrsti niklene legure, visoke otpornosti na trošenje i temperaturu.

Iako smo dijelomično utvrdili o kojoj je vrsti materijala riječ, još uvijek ne možemo sa 100 %-tnom sigurnošću tvrditi da je materijal od koje je napravljena ova turbinska lopatica ( kolo ) visokotvrda niklena legura,

23

materijal od koje su najčešće dijelovi turbina i napravljeni. Osim što se elektronskom mikroskopijom pokušalo utvrditi točan kemijski sastav,uspjelo se napraviti nekoliko snimaka koje prikazuju oštećenja nastala na ovom uzorku, a za detaljniju analizu tj. za dobivanje kvantitativnih rezultata pružena je pomoć od strane Instituta Ruđer Bošković, labaratorija za međudjelovanja ionskih snopova, zavoda za eksperimentalnu fiziku. Na institutu je provedena PIXE (eng. Proton-inducted x-ray emission )analiza, a o samom postupku bit ce opisano u poglavlju 5.5.

Slika 19:Potpovršinska pukotina uzrokovana umorom materijala

Slika 21:Oštećeni rub lopatice plinske turbine

24

5.5 PIXE analiza

PIXE analiza koristi protone i Si(Li) spektroskopiju,sa mogučnošću istovremene kvantitativne analize 72 elementa u rasponu od natrija do uranija u krutinama,tekućinama i tankim filmovima. Zbog snažne penetracije protona u samu površinu uzorka, omogučavaju se analize na dubini i do nekoliko deseta mikrona.Upotrebom protonske zrake kao sredstvo za poticanje elektrona na kretanje, nudi nekoliko prednosti naspram metoda koje koriste X –zrake kao sredstvo uzbude. Naprimjer: veča je količina sakupljnih podataka preko cijelog spektra, što omogućuje brže analize. Rad PIXE uređaja je baziran na malom ubrzivaču čestica koji pruža protonsku zraku (u nekim slučajevima ioni helija ili neki teži ioni ) koji najprije prolaze kroz zakrivljeni magnet gdje se stvara stabilno polje koje se zatim usmjerava kroz mali prorez. Zraka se zatim usmjerava aksijalno prema uzorku, a usmjerava se pomoću elektromagnetskih i elektrostatićnih uređaja pod tipićnim vakumom od 1,33* 〖10〗^(-9)bar.

Komora za uzorke ili komora sa „metom“ moze sadrzavati nekoliko uzoraka i mogu biti montirani na jedan zajednički držač.Isto tako u komori se nalazi detektor X zraćenja i Faradijeva „šalica“ koja prati induciranu struju protona.

Zraka čestica prolazi kroz uzorak i potiće emisiju X zraćenja koje se otkriva pomoćuelektrode napravljene od silicija na koju je nanesen litij, a sama elektroda ima dobru iskoristivost energije i visoku učinkovitost u području X zraćenja od 2-20 keV. [6]

25

Slika 22:shematski prikaz uređaja za PIXE analizu [6]

5.6 Rezultati PIXE analize

Nakon provedenog ispitivanja na PIXE uređaju dolazi se do rezultata prikazanih tablicom 4.

Tablica 3: Prikaz dobivenih rezultata PIXE analizom

Elementi C Cr Mn Nb Ti Al Fe NiMaseni udio [%]

0,17 16 1,75 0,9 3,4 3,4 0,5 73,88

Iako PIXE analiza nije 100 % toćna, može se sa dovoljnom sigurnošću reći o kojoj je vrsti legure rijeć. Uspoređujući dobivene rezultate s onima iz literature dolazi se do zaključka da je riječ o leguri pod komercijalnim nazivom IN-738.

26

6.Zaključak

Iz eksperimentalnog dijela seminarskog rada zaključuje se: 1. Da su oštećenja na uzorku uzrokovana upotrebom krivog maziva i dotrajalosti motora , tj. pošto je ova turbina (kolo) ugrađena u turbodieselski motor preporuča se upotreba mineralnog, a ne sintetskog i polu sintetskog maziva.2. Kako je potreban redoviti servis, s ciljem produljenja životnog vijeka vozila. To vrijedi za sve vrste vozila koja su pogonjena motorima s unutrašnjim izgaranjem i toga bi se trebalo pridržavati.

Uzrok i posljedica oštećenja: Kao što je već spomenuto uzrok oštećenju je korištenje krivog maziva i dotrajalost motora, a do oštečenja je došlo na sljedeći način. Kako je vozilo prešlo i više od 200 000 km svi dijelovi su ionako već dobrim dijelom istrošeni pa tako cilindar i klip. Naime ulje koje se nalazi u koritu motora zapljuskuje cilindar i klip, prolazi između cilindra i klipa te sagorjeva u komori za izgaranje i odlazi sa ispušnim plinovima u turbinu gdje se te čestice zapaljenog ulja gomilaju i uzrokuju trošenje vrhova lopatica. Posljedica kombinacije korištenja krivog maziva i dotrajalosti motora uzrokovalo je raspadanje turbine i gubitak izlazne snage tj. snage na kotačima za 30-40%.

Osim eksperimentalnog dijela opisan je i jedan od duplex postupaka prevlačenja, a riječ j o TBC prevlakama. Kao primjer grupe energetskih strojeva za rad pri povišenim temperaturama uzeta je turbina iz osobnog vozila.

27

28