उच्च तापमान टरबाइन ब्लेड आधुनिक इंजीनियरिंग में सबसे थर्मल और यंत्रवत् लोड घटकों में से एक हैं। जेट इंजन, गैस टरबाइन और औद्योगिक बिजली संयंत्रों में स्थापित, इन ब्लेडों को चरम घूर्णन गति, संक्षारक निकास गैसों का सामना करना पड़ता है, और तापमान अक्सर 1,200 °C (2,200 °F) से अधिक होता है। ऐसी स्थितियों के तहत, यहां तक कि सबसे उन्नत सुपरलॉय धीरे-धीरे एक प्रक्रिया के माध्यम से समय के साथ विघटित हो जाते हैं जिसे क्रीप विफलता ब्लेड सेवानिवृत्ति का एक प्रमुख कारण है और अगर यह समझा और मिटिगेट नहीं है तो यह catastrophic इंजन क्षति का परिणाम हो सकता है। यह लेख उच्च तापमान टरबाइन ब्लेड में क्रीप विफलता के पीछे मूलभूत तंत्र की जांच करता है, जो कि इंजीनियरिंग रणनीति और जीवन में तेजी लाती है।

टर्बाइन ब्लेड में क्रीप का Phenomenon

क्रीप एक सामग्री का समय-निर्भर, स्थायी विरूपण है जो उन्नत तापमान पर निरंतर तनाव के अधीन है। टरबाइन ब्लेड में इस्तेमाल किए गए निकल आधारित सुपरलॉय जैसे क्रिस्टलीय ठोस में, रेंगना तब होता है जब परमाणुओं और अव्यवस्थाएं निरंतर भार के तहत जाली को फिर से व्यवस्थित करने के लिए पर्याप्त मोबाइल बन जाती हैं। भंगुर फ्रैक्चर या थकान के विपरीत, रेंगना ब्लेड वायु प्रदूषण के धीमी, प्रगतिशील विस्तार या झुकने के रूप में प्रकट होता है, अंततः आयामी सहिष्णुता के नुकसान के कारण, वायुगतिकीय दक्षता को कम कर देता है, और अंततः टूट जाता है।

आम तौर पर तीन अलग चरणों में क्रीप व्यवहार का वर्णन किया जाता है:

  • ]Primary Creep (Stage I): तनाव की दर शुरू में उच्च है लेकिन सामग्री कार्य-कठोर और dislocations के रूप में कमी हो जाती है। यह चरण अपेक्षाकृत कम जीवित है।
  • ]Secondary Creep (Stage II): एक स्थिर राज्य वह स्थान है जहां तनाव दर लगभग स्थिर है। विघटन पीढ़ी और एनिलेशन संतुलित हैं, और यह चरण अक्सर ब्लेड के क्रीप जीवन के बहुमत का प्रतिनिधित्व करता है।
  • ]Tertiary Creep (Stage III): तनाव दर सूक्ष्मवोदों और microcracks के रूप में अनाज सीमाओं पर तेजी लाने के लिए। Necking या फ्रैक्चर होता है, उपयोगी जीवन के अंत अंकन।

डिजाइनरों का उद्देश्य टर्बाइन ब्लेड को माध्यमिक क्रीप के भीतर जितना संभव हो सके रखने का लक्ष्य रखते हैं, जीवन भविष्यवाणियों के मॉडल का उपयोग करते हुए जो तापमान, तनाव और भौतिक सूक्ष्म संरचना के लिए खाते हैं।

क्रीप विफलता के प्राथमिक तंत्र

टरबाइन ब्लेड के उच्च तापमान मिश्र धातुओं में क्रीप कई सूक्ष्म तंत्रों द्वारा नियंत्रित होता है जो एक साथ या अनुक्रमिक रूप से काम करते हैं। तीन सबसे महत्वपूर्ण हैं विस्थापन चढ़ाई, प्रसारात्मक क्रीप, और अनाज सीमा स्लाइडिंग। प्रत्येक ब्लेड की समग्र विरूपण और घटना विफलता में योगदान देता है।

स्थानांतरण चढ़ाई

डिस्लोकेशन क्रिस्टल जाली में रैखिक दोष हैं। कमरे के तापमान पर, आमतौर पर स्लिप प्लेन के साथ ग्लाइड द्वारा स्थानांतरित होते हैं। हालांकि, उच्च तापमान पर (केल्विन में लगभग 0.4 से 0.5 गुना तक) डिस्लोकेशनों को चढ़ने की क्षमता प्राप्त होती है - अर्थात्, अपनी स्लिप प्लेन के लिए लंबवत कदम उठाकर या रिक्तियों को उत्सर्जित कर सकते हैं। यह चढ़ाई प्रक्रिया उन बाधाओं को दूर करने के लिए विच्छेदन की अनुमति देती है जैसे कि प्रीपिसिटेट्स या अन्य डिस्लोकेशन जो अन्यथा ग्लाइड को अवरुद्ध कर देंगे। परिणाम निरंतर तनाव के तहत निरंतर प्लास्टिक विरूपण है। टरबाइन ब्लेड में, विच्छेदन की चढ़ाई मध्यवर्ती शासन और तापमान में प्रमुख रेंग तंत्र है।

अव्यवस्था की दर तापमान के प्रति अत्यधिक संवेदनशील है और जाली रिक्तियों की एकाग्रता है। निकल आधारित सुपरलॉय में, सुसंगत ] की उपस्थिति (gamma प्राइम) precipitates-Ni3(Al,Ti) -resist चढ़ाई क्योंकि अव्यवस्था को या तो इन आदेशों वाले कणों के आसपास चढ़ना चाहिए। समय के साथ, हालांकि, उनके मजबूत प्रभाव को कम करने और रेंगना को तेज करने के लिए मोटे (Ostwald ripening) को रोकता है।

डिफ्यूजन क्रीप

बहुत उच्च तापमान और अपेक्षाकृत कम तनाव पर, प्रसारक क्रीप महत्वपूर्ण हो जाता है। यहां परमाणुओं को लागू तनाव के जवाब में क्रिस्टल जाली (Nabarro-Herring) या अनाज सीमाओं (कोबल रेंगना) के माध्यम से फैलाया जाता है। एक तन्यता तनाव के तहत, परमाणु तनाव के तहत चेहरे पर संपीड़न से चेहरे तक पहुंच जाता है, जिससे अनाज को तनाव दिशा में बढ़ा दिया जाता है। प्रसारक रेंगना की दर अनाज के आकार पर दृढ़ता से निर्भर करती है: बड़े अनाज को प्रसार के लिए उपलब्ध अनाज सीमा क्षेत्र को कम कर देता है, इस प्रकार क्रीप दर को कम कर देता है। यह एक कारण है कि टरबाइन ब्लेड अक्सर बड़े स्तंभों के अनाज या एकल-कोण घटकों के साथ डाला जाता है।

डिफ्यूजन रेंगना अनाज सीमा में योगदान देता है गुहिकायन: तन्य तनाव के लिए लंबवत अनाज सीमाओं पर रिक्तियों कोलेस, सूक्ष्मदर्शी में बढ़ने वाले छोटे voids का निर्माण। ये गुहाएं सामग्री को कमजोर करती हैं और तृतीयक क्रीप को तेज करती हैं।

अनाज सीमा स्लाइडिंग

उच्च तापमान पर, अनाज की सीमाएं चिपचिपा परतों की तरह व्यवहार करती हैं। निरंतर कतरनी तनाव के तहत, आसन्न अनाज एक दूसरे के सापेक्ष स्लाइड कर सकते हैं। अनाज सीमावर्ती स्लाइडिंग सबसे स्पष्ट है जब सीमाओं को लागू तन्यता अक्ष तक 45 डिग्री तक उन्मुख किया जाता है। यह स्लाइडिंग ट्रिपल जंक्शनों पर तनाव को केंद्रित करता है और सीमा पर स्थित कणों पर गुहा न्यूक्लेशन को बढ़ावा देता है। पॉलीक्रिस्टलाइन ब्लेड मिश्र धातु में, अनाज सीमावर्ती स्लाइडिंग अंतरगणित फ्रैक्चर का उत्पादन कर सकता है यदि सीमाएं सावधानीपूर्वक मजबूत नहीं हैं।

अनाज सीमा फिसलने को कम करने के लिए, मिश्र धातु डिजाइनरों में बोराइड और कार्बाइड बनाने के लिए बोरान, ज़िरकोनियम और कार्बन जैसे तत्व शामिल हैं। ये कण सीमाओं को पिन करते हैं और सापेक्ष गति को बाधित करते हैं। इसके अतिरिक्त, दिशात्मक ठोसकरण तकनीकें स्तंभ अनाज को ब्लेड अक्ष के साथ संरेखित करती हैं: अनुप्रस्थ अनाज सीमाओं की अनुपस्थिति नाटकीय रूप से फिसलने को कम करती है।

कारक जो क्रीप विफलता को तेज करते हैं

क्रीप विफलता पूरी तरह से तापमान और तनाव का एक कार्य नहीं है। कई अतिरिक्त कारक नाटकीय रूप से सेवा की स्थिति के तहत टूटने के लिए समय को कम कर सकते हैं।

  • तापमान बहिष्कार: यहां तक कि संक्षिप्त तापमान घटनाओं (जैसे, टेकऑफ़ या पावर सर्ज के दौरान) सूक्ष्म संरचनात्मक गिरावट में तेजी ला सकती है, जिससे तेजी से मोटे और आक्साइड को पैमाने पर होने की संभावना होती है।
  • Cyclic थर्मल भार: दोहराया थर्मल साइकिल चालन थर्मल थकान है कि रेंगना के साथ बातचीत का परिचय, रेंगना-कठोर दरारें पैदा।
  • ऑक्सीकरण और जंग: उच्च तापमान ऑक्सीकरण मिश्र धातु की सतह का उपभोग करता है और एल्यूमीनियम और क्रोमियम जैसे तत्वों को मजबूत कर सकता है। पिघला हुआ नमक से गर्म जंग आगे सुरक्षात्मक ऑक्साइड परत को नुकसान पहुंचाती है।
  • ]Stress State multiaxiality: टर्बाइन ब्लेड जटिल तनाव राज्यों का अनुभव - केन्द्रापसारक तनाव, झुकने और कंपन - जो सरल Uniaxial क्रीप परीक्षणों की तुलना में cavitation को तेज कर सकते हैं।
  • ]माइक्रोस्ट्रक्चरल अस्थिरता:] लंबे समय तक सेवा घंटे से अधिक, γ'] मोटे तौर पर precipitates, अनाज की सीमाएं हानिकारक चरणों (जैसे, सिग्मा चरण या लाव चरण), और कोटिंग परतों में गिरावट पैदा कर सकती हैं।

उन्नत सामग्री और डिजाइन रणनीतियाँ मिटिगेट क्रीप के लिए

आधुनिक टरबाइन ब्लेड भौतिक विज्ञान और अभिनव डिजाइन के संयोजन के माध्यम से असाधारण क्रीप प्रतिरोध प्राप्त करते हैं।

निकल आधारित सुपरलॉय

उच्च तापमान ब्लेड के कार्यक्षेत्र निकल आधारित सुपरलॉय जैसे IN718, रेने 88, और CMSX-4 के रूप में हैं। वे अपने पिघलने बिंदु (]T]]m]] ≈ 1,300 °C) के 80% से अधिक ताकत बनाए रखते हैं, जो सुसंगत (]] γ']] precipitates. 2020s में हाल के घटनाक्रम में उच्च अपवर्तक धातु सामग्री (egtung, धीमे, धीमे, धीमे, धीमे, धीमे, धीमे, धीमे, धीमे, धीमे, धीमे, धीमे, धीमे, धीमे, आदि) के साथ मिश्रित सुपरल, सुपरल, आदिम आदिम आदिम आदिम आदि शामिल हैं।

एकल क्रिस्टल प्रौद्योगिकी

पूरी तरह से एकल क्रिस्टल कास्टिंग (जैसे बीज क्रिस्टल और एक सर्पिल अनाज चयनकर्ता का उपयोग करके) के माध्यम से अनाज की सीमाओं को खत्म करना अनाज सीमा को फिसलने और प्रसारात्मक क्रीप के लिए पथ को हटा देता है। आज, आधुनिक जेट इंजन में लगभग सभी उच्च दबाव टरबाइन ब्लेड एकल क्रिस्टलीय होते हैं, अक्सर जटिल शीतलन मार्गों के साथ।

थर्मल बैरियर कोटिंग (टीबीसी)

एक TBC, आम तौर पर yttria-stabilized zirconia (YSZ), ब्लेड सतह पर लागू 100-200 °C तक धातु के तापमान को कम कर देता है, नाटकीय रूप से क्रीप दर को कम करता है। कोटिंग सिस्टम में एक बॉन्ड कोट (जैसे, NiCoCrAlY) और एक थर्मल रूप से विकसित ऑक्साइड परत भी शामिल है जो संक्षारण प्रतिरोध प्रदान करती है। TBC स्थायित्व में निरंतर सुधार, जैसे बेहतर चरण स्थिरता के लिए गैडोलिनियम-ज़िरकोनेट का उपयोग करना, सेवा अंतराल को बढ़ाता है।

आंतरिक शीतलक

जटिल आंतरिक एयर-कूलिंग मार्ग- computational तरल गतिशीलता का उपयोग करके डिजाइन किया गया - व्यवहार्य तापमान पर ब्लेड धातु को पकड़ो। कंप्रेसर bleed हवा को सर्पेन्टाइन चैनलों के माध्यम से रूट किया जाता है और ब्लेड सतह पर फिल्म-कूलिंग छेद के माध्यम से निकाला जाता है। योजक विनिर्माण में अग्रिम अब वास्तव में अनुरूप शीतलन चैनलों की अनुमति देता है जो ब्लेड ज्यामिति का पालन करते हैं, थर्मल ढाल और क्रीप तनाव को कम करते हैं।

ब्लेड में क्रीप का परीक्षण और जीवन भविष्यवाणी

सुरक्षा सुनिश्चित करने के लिए, टरबाइन ब्लेड कठोर क्रीप परीक्षण और मॉडलिंग से गुजरते हैं। प्रतिनिधि नमूनों पर यूनिैक्सियल रेंग परीक्षण विभिन्न तापमान और तनावों पर बेसलाइन रेंगने वाले वक्र प्रदान करते हैं। अधिक उन्नत परीक्षणों में थर्मोमेकेनिक थकान (TMF) परीक्षण शामिल हैं जो क्रीप और थर्मल साइकिलिंग को जोड़ते हैं। त्वरित सेवा सिमुलेशन परीक्षण उच्च तनाव और तापमान पर ब्लेड चलाते हैं ताकि कम समय में विफलता डेटा उत्पन्न हो सके।

लाइफ भविष्यवाणी मॉडल, जैसे कि लैर्सन-मिलर पैरामीटर, मॉंकमैन-ग्रैंट रिलेशन और निरंतरता क्षति यांत्रिकी, प्रयोगशाला डेटा को फील्ड लाइफ अनुमानों में परिवर्तित करते हैं। Probabilistic तरीके भौतिक परिवर्तनशीलता और सेवा यादृच्छिकता के लिए खाते हैं। गैर-विनाशकारी मूल्यांकन तकनीक - एक्स-रे कम्प्यूटेड टोमोग्राफी, एडी करंट और अल्ट्रासोनिक निरीक्षण सहित - रखरखाव के दौरान प्रारंभिक चरण के cavitation और रेंगने के नुकसान का पता लगाने के लिए उपयोग किया जाता है।

परिप्रेक्ष्य को समापन

उच्च तापमान टरबाइन ब्लेड में क्रीप विफलता एक जटिल, बहु-यांत्रिकता घटना है जो विस्थापन चढ़ाई, प्रसार प्रवाह और अनाज सीमा स्लाइडिंग द्वारा संचालित होती है। इन तंत्रों को समझना इंजीनियरों को मिश्र धातु, कोटिंग्स और शीतलन वास्तुकला को डिजाइन करने में सक्षम बनाता है जो रेंगने में देरी करते हैं और घटक जीवन को बढ़ाते हैं। उच्च टरबाइन इनलेट तापमान की ओर अत्यन्त धक्का - बेहतर दक्षता और कम उत्सर्जन के लिए - रेंगने वाले प्रतिरोधी सामग्रियों और भविष्यवाणियों के मॉडलों में निरंतर नवाचार को नष्ट कर देता है। रेंगना के विज्ञान में माहिर होने से, एयरोस्पेस और बिजली उत्पादन उद्योग थर्मली, सुरक्षित और विश्वसनीय रूप से क्या हो सकता है, इसकी सीमाओं को धक्का देते हैं।

आगे पढ़ने के लिए, ]ASM इंटरनेशनल की तकनीकी हैंडबुक्स को सुपरलॉय में रेंगने पर और ]:NASA तकनीकी रिपोर्ट टरबाइन ब्लेड सामग्री ]]. अतिरिक्त विस्तृत तंत्रों को धातुओं में रेंगने पर ScienceDirect विषय पृष्ठ ] में शामिल किया गया है।