1. Uvod

Površinska obrada je stara koliko i tehnologija materijala. Razlog za obradu površina je stvaranje dijelova s poboljšanom trajnošću ili boljimantikorozivnim svojstvima.

Kroz povijest inženjeri su mijenjali površinu načinima mehaničke, toplinske i kemijske obrade da bi dijelovima pomogli u podnošenju uvjetaeksplotacije. 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 snagau 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 ).

1 | P a g e

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.

2 | P a g e

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]

3 | P a g e

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]

4 | P a g e

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.

5 | P a g e

Prije uvođenja lopatice u utor jedan se kraj osigurača savija prema tijelu korijena, a drugi prema površini diska slika 5. [1]

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]

6 | P a g e

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]

7 | P a g e

3. OPIS TRIBOSUSTAVA LOPATICA

3.1. Mehanizmi trošenja

Ovisno o karakteristikama površina koje se dodiruju, postoje mnoge vrste trošenja, no one se uglavnom opisuju pomoću četri osnovna mehanizma trošenja, a to su:

abrazija, adhezija, umor površine, tribokorozija.

Najopćenitija definicija trošenja glasi:

„ Trošenje je postepeni gubitak čestica sa površine materijala uvjetovan mehaničkim djelovanjem. “Trošenje predstavlja postupni gubitak materijala s površine krutog tijela, uslijed dinamičkog dodira s drugim krutim tijelom,fluidom ili česticama.Mehanizmi trošenja opisuju se jediničnim događajima, a oni predstavljaju slijed zbivanja koji dovodi do odvajanja jedne čestice trošenja s trošene površine. Uključuju proces nastajanja i napredovanja pukotina.Osnovni pokazatelj za indentifikaciju mehanizma trošenja su izgled površine i oblik čestice trošenja.Najjednostavnija klasifikacija trošenja je na slabo i jako trošenje. Slabo trošenje je u osnovi vezano za mala opterećenja, gdje je na neki način uključena metalna interakcija, a produkti takvog trošenja su fine čestice koje su u obliku oksida.

Površinski slojevi, kao što su oksidi, mogu smanjiti stupanj interakcije između glavnine materijala u kontaktu. To ne znači da nikad ne dolazi do metalnog dodira tarnog para s obzirom da rezultirajuće metalne čestice mogu oksidirati na visokim lokalnim temperaturama površina. elativno mala čestica rezultira karakteristično slabim trošenjem i uglađivanjem površina.

Kod velikih opterećenja dolazi do grubljeg procesa trošenja, gdje su čestice trošenja daleko veće nego kod slabog trošenja, a istrošene površine su daleko hrapavije. U tom slučaju stupanj trošenja se povećava nekoliko puta. [2]3.1.1. Abrazija

8 | P a g e

Abrazija je mehanizam trošenja uslijed kojega dolazi do istiskivanja materijala uzrokovano tvrdim česticama ili tvrdim izbočinama. Definira se kao odnošenje materijala s površine, pod utjecajem abrazivnih tvrdih čestica. Jedinični događaj abrazije sastoji se od dvije faze koje su prikazane slikom 6.

prva faza- prodiranje abraziva (a) u površinu materijala (1) pod utjecajem normalne komponente opterećnja Fn.

druga faza-istiskivanje materijala u obliku čestica trošenja (č) pod utjecajem tangencijalne komponente opterećenja Ft.

Slika 6: Jedinični događaj abrazije, a) prva faza, b) druga faza [2]

Postoje tri vrste abrazije, ovisno o međusobnom odnosu tvrdoće abraziva i materijala: čista abrazija, selektivna abrazija i nulta abrazija.Čista abrazija-javlja se kada je tvrdoća abraziva veća od tvrdoće trošene podloge. Površina je izbrazdana, a čestice trošenja su u obliku spiralne strugotine ako je abradirani materijal duktilan ili u obliku lomljene strugotine ako je abradirani materijal krhak.Selektivna abrazija-javlja se kada u abradiranom materijalu postoji faza tvrđa od abraziva. Površina je izbrazdana s prekidima na mjestima gdje se na površini nalaze čestice tvrđe faze.

9 | P a g e

Nulta abrazija-pojavljuje se kada je cijela abradirana površina tvrđa od abraziva. Površina ima polirani izgled, a čestice trošenja su sitne ljuskice koje potječu od vanjskog graničnog sloja.Otpornost na abraziju usko je povezana sa međusobnim odnosom tvrdoća abraziva i materijala trošene podloge, odnosno njegovih strukturnih konstituenata, jer je on odlučujući za prvu fazu jediničnog događaja abrazije, a to je prodiranje koje je preduvjet za nastajanje početne pukotine, čime nastaje čestica trošenja. [2]

3.1.2. Adhezija

Adhezija je oblik trošenja koju karakterizira prijenos materijala s jedne površine klizne plohe na drugu pri relativnom gibanju, a zbog procesa zavarivanja krutih faza. Jedinični događaj adhezije opisan je trima fazama slika 7 koje su:

prva faza- nastajanje adhezijskog spoja različitog stupnja jakosti na mijestu dodira izbočina,

druga faza-raskidanje adhezijskog spoja. Čestica trošenja ostaje spontano naljepljena na jednom članu kliznog para,

treća faza-eventualno otkidanje čestice. Oblik čestice trošenja ovisi o uvjetima, a uglavnom je lističast.

Slika 7: Jedinični događaj adhezije [2]

Osnovni kriterij za ocjenu otpornosti na adhezijsko trošenje materijala tribopara je njihova tribološka kompaktibilnost. Tribološki kompaktibilni materijali , tj. materijali

10 | P a g e

prikladni za rad u paru su oni koji nisu skloni mikrozavarivanju i međusobnom dodiru. [2]

3.1.3. Umor površine

Umor površine slika 8., je mehanizam trošenja kod kojeg dolazi do odvajanja čestice s trošene površine uslijed cikličkih promjena naprezanja.Umor površine opisan je jediničnim događajem koji se odvija u tri faze.

prva faza-stvaranje mikropukotine, redovito ispod površine, druga faza-napredovanje mikropukotine, treća faza-ispadanje čestice trošenja (obično oblika pločice ili

iverka)

U prvoj fazi nastaje podpovršinska pukotina jer je najveće smićno naprezanje kod koncentriranog dodira uvijek ispod same površine ( Hertzovo ) naprezanje.Budući da je stvaranje početnih pukotina ko umora površine povezano s procesom gibanja dislokacija, otpornost materijala na umor površine ovisit će o otporu gibanju dislokacija, a na to utječe veliki broj čimbenika. [2]

Slika 8: Jedinični događaj umora površine [2]

3.1.4. Tribokorozija

11 | P a g e

Tribokorozija ili tribokemijsko trošenje je mehanizam trošenja pri kojem prevladavaju kemijske ili elektrokemijske reakcije materijala s okolišem .Jedinični događaj tribokorozije, što prikazuje slika 9, sastoji se od dvije faze:

prva faza-stvaranje ili obnavljanje sloja produkata korozije, druga faza-mjestimično razaranje sloja produkata korozije.

Slika 9: Jedinični događaj tribokorozije [2]

Izgled površina izloženih tribokoroziji ovisi o intenzivnosti odnošenja stvorenih čestica trošenja. Pri maloj intenzivnosti na površini se pojavljuju proizvodi korozije, a kod veće intenzivnosti odnošenja površina je naizgled polirana. Čestice trošenja su praškastog oblika, uglavnom oksidne. Važno je da se čestice trošenja kod tribokorozije stvaraju unutar vanjskog površinskog sloja, slika 10. [2]

Slika 10: Slojevita struktura površinskog sloja [2]

3.1.5. Kavitacijska erozija

12 | P a g e

Kavitacijska erozija je trošenje krutog tijela pri strujanju kapljevina u kavitacijskom režimu, tj. uz nastajanje i naglo implodiranje mjehurića pare što izaziva visoke lokalne udarne tlakove ili temperature.

Karakteristični primjeri djelovanja kavitacijske erozije su:

propeleri, propelerske turbine, centrifugalne pumpe, plinske turbine.

Kao i kod erozije kapljevinom, i ovdje najveća opasnost prijeti od umora površine, samo je uzrok različit. Također trošenje može biti pojačano uslijed tribokorozije ako medij kemijski dijeluje na metal krutog tijela.Moguće promjene iznosa trošenja kod kavitacijske erozije prikazane su slikom 11.

Slika 11: Procesi trošenja pri kavitacijskoj eroziji [2]

Krivulja 1-predočava normalni proces trošenja, kada se umor površine ne pojavljuje, ili ne toliko intenzivno da bi uzrokovao prekomjerno trošenje unutar projektirane trajnosti promatranog tribosustava.Krivulja 2-je slučaj prekomjernog tribokorozijskog trošenja,kada sam materijal nije dovoljno otporan na koroziju u danaom sredstvu.Krivulja 3-je slučaj preranog umora površine. [2]

3.2. Primjer oštećenja lopatice

13 | P a g e

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 11: 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.

14 | P a g e

4. 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.

4.1.Priprema uzoraka za mikrostrukturnu analizu

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.

15 | P a g e

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 12 i 13 prikazani su uređaji za dotićnih ispitivanja.

Slika 12: Uređaj za mijerenje mikrotvrdoće „Wilson-Wolpert 2100B“[3]

16 | P a g e

Slika 13: Svjetlosni mikroskop „ Olympus BH 2 “ za metalografska ispitivanja [4]

4.2. Ispitivanja mikrotvrdoće uzorka

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 14. Kod Vickersove metode tvrdoća e zaključuje na osnovi veličine otiska.

17 | P a g e

Slika 14: Skica penetratora i otiska kod Vickersove metode

Tvrdoća se određuje prema izrazu:

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 1. i 2.

18 | P a g e

Udaljenost od lijevog ruba [µm]

Udaljenost od desnog ruba [µm]

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

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

srednja vrijednost tvrdoće

538,5

Tablica 1: Rezultati mjerenja mikrotvrdoće osnovnog materijala

Tablica 2: Rezultati mjerenja mikrotvrdoće prevlakeUdaljenost od lijevog

ruba [µm]Udaljenost od desnog

ruba [µmrazlika ∆ [µm] Vrijednost tvrdoće

[HV 0,2]

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.

4.3. Metalografska analiza uzorka 19 | P a g e

Metalografsko ispitivanje izvodi se prvo promatranjem poliranih uzoraka, jer je na taj način moguće uočiti porozitet,intermetalne spojeve, početak korozije, pukotine itd.

Na slikama 15, 16, 17 i 18 prikazani su dijelovi neoštećenog i oštećeng ruba turbinske lopatice kao i njena prevlaka uz različita povećanja.

Slika 15: Neoštećeni rub lopatice plinske turbine uz povećanje 500 x

Slika 16: Oštečeni rub lopatice plinske turbine uz povećanje 100x

20 | P a g e

Slika 17: Oštečeni rub lopatice plinske turbine uz povećanje 500x

Slika 18: TBC prevlaka uz povećanje 500x

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 19.

21 | P a g e

Slika 19: Mikroskopski snimak uzorka nakon kemijskog nagrizanja uz povećanje 1000x (bijelo područje je niklena osnova-matrica, dok su crna podrucja karbidi Ti i Cr)

22 | P a g e

4.4. 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, materijal od koje su najčešće dijelovi turbina i napravljeni. Osim što se elektronskom mikroskopijom pokušalo utvrditi točan kemijski sastav,uspjelo se napraviti nekoliko snimaka (slika 20 ) 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 4.5.

23 | P a g e

Slika 20:Potpovršinska pukotina uzrokovana umorom materijala

Slika 21:Oštećeni rub lopatice plinske turbine24 | P a g e

4.5 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* 10−9bar.

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. [5]

Slika 22:shematski prikaz uređaja za PIXE analizu [5]

25 | P a g e

4.6 Rezultati PIXE analize

Nakon provedenog ispitivanja na PIXE uređaju dolazi se do rezultata prikazanih tablicom 3.

Tablica 3: Prikaz dobivenih rezultata PIXE analizom

Elementi

C Cr Mn Nb Ti Al Fe Ni

Maseni 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 | P a g e

5.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%.

27 | P a g e

6. Popis literature

[1] Guzović Z., Majcen M.: „Toplinske turbine“, Tehnička encikopedija 1997., 222...254.

[2] Ivušić V.: „Tribologija“, Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb, 1998.

[3] http://www.wilson-hardness.de/

[4] www.olympus.com

[5]

[6] T.Filetin: „Materijali II“, Zagreb, 1990.

28 | P a g e