ایرو اسپیس انڈسٹری میں اعلی درجہ حرارت کے مرکب کا استعمال
Superalloys کو ان کے میٹرکس ڈھانچے کے مطابق تین گروپوں میں تقسیم کیا جا سکتا ہے: لوہے پر مبنی نکل پر مبنی اور کرومیم پر مبنی۔
پیداوار کے موڈ کے مطابق، یہ اخترتی superalloy اور کاسٹ superalloy میں تقسیم کیا جا سکتا ہے. ایرو اسپیس فیلڈ میں یہ ایک ناگزیر خام مال ہے۔ یہ ایرو اسپیس اور ایروناٹیکل انجنوں کے اعلی درجہ حرارت والے حصوں کے لیے ایک اہم مواد ہے۔ بنیادی طور پر کمبشن چیمبر، ٹربائن بلیڈ، گائیڈ بلیڈ، کمپریسر اور ٹربائن ڈسک، ٹربائن کیسنگ اور دیگر حصوں کی تیاری کے لیے استعمال کیا جاتا ہے۔ کام کرنے کا درجہ حرارت 600 ڈگری سینٹی گریڈ سے 1200 ڈگری سینٹی گریڈ تک ہے۔ مکینیکل اور ماحولیاتی حالات استعمال ہونے والے حصوں کے ساتھ مختلف ہوتے ہیں۔ مصر دات کی مکینیکل، فزیکل اور کیمیائی خصوصیات کی سختی سے ضرورت ہوتی ہے، جو کہ انجن کی کارکردگی، وشوسنییتا اور زندگی کا فیصلہ کن عنصر ہے۔ لہٰذا، superalloy ترقی یافتہ ممالک میں ایرو اسپیس اور قومی دفاع کے شعبے میں کلیدی تحقیقی منصوبوں میں سے ایک ہے۔
اعلی درجہ حرارت مصر دات ایپلی کیشنز
1. دہن کے چیمبروں کے لئے اعلی درجہ حرارت کے مرکب
ایرو انجن ٹربائن کا کمبشن چیمبر (جسے شعلہ ٹیوب بھی کہا جاتا ہے) اعلی درجہ حرارت والے اہم اجزاء میں سے ایک ہے۔ دہن کے چیمبر میں ہونے والے ایندھن کے ایٹمائزیشن اور تیل گیس کے اختلاط جیسے عمل کی وجہ سے، درجہ حرارت 1500 ڈگری سے 2000 ڈگری تک پہنچ سکتا ہے، دیوار کا درجہ حرارت 1100 ڈگری تک پہنچ سکتا ہے۔ مزید برآں، چیمبر کو تھرمل اور گیس کے دباؤ کو برداشت کرنا چاہیے۔ ہائی تھرسٹ ٹو ویٹ ریشو انجن اکثر اینولر کمبشن چیمبر استعمال کرتے ہیں، جو چھوٹے ہوتے ہیں اور تھرمل شدت زیادہ ہوتی ہے۔ ان چیمبروں کے اندر، درجہ حرارت 2000 ڈگری تک پہنچ سکتا ہے، فلم کولنگ یا بخارات کے بخارات کی ٹھنڈک کے بعد دیوار کا درجہ حرارت 1150 ڈگری کے ساتھ۔ مختلف علاقوں کے درمیان درجہ حرارت کے نمایاں میلان تھرمل دباؤ پیدا کرتے ہیں، جس کے نتیجے میں تھرمل جھٹکا اور تھرمل تھکاوٹ کے بوجھ کی وجہ سے بگاڑ، دراڑیں اور دیگر ناکامی ہوتی ہے۔ عام طور پر، دہن کے چیمبر پلیٹ مرکب دھاتوں سے بنائے جاتے ہیں، اور مخصوص اجزاء کے لیے تکنیکی تقاضوں میں شامل ہیں: اعلی درجہ حرارت کے حالات میں آکسیکرن اور گیس کے سنکنرن کے خلاف مزاحمت؛ کافی عارضی اور طویل مدتی طاقت، تھرمل تھکاوٹ کی کارکردگی، اور کم توسیعی گتانک؛ پروسیسبلٹی اور کنکشن کو یقینی بنانے کے لیے مناسب پلاسٹکٹی اور ویلڈیبلٹی؛ اور تھرمل سائیکلنگ کے تحت اچھی مائکرو اسٹرکچرل استحکام ان کی عمر بھر میں قابل اعتماد آپریشن کی ضمانت دیتا ہے۔
1) MA956 مصر دات غیر محفوظ پرت پلیٹیں۔
ابتدائی غیر محفوظ تہوں والی پلیٹیں پتلی HS-188 مرکب شیٹس سے بنائی گئی تھیں، جنہیں فوٹو گرافی، سنکنرن اینچنگ، اور پرفوریشن کے ذریعے پروسیس کیا گیا تھا، جس کے بعد ڈفیوژن بانڈنگ ہوتی تھی۔ اندرونی تہوں کو مثالی کولنگ چینلز بنانے کے لیے ڈیزائن کیا جا سکتا ہے۔ یہ ڈھانچہ روایتی فلم کولنگ کے لیے درکار ٹھنڈک گیس کی ضروریات کو 30 فیصد تک کم کرنے، انجن کے تھرمل سائیکل کی کارکردگی کو بڑھانے اور کمبشن چیمبر کے مواد پر اصل گرمی کے بوجھ کو کم کرنے، اس طرح وزن ہلکا کرنے اور وزن سے وزن کے تناسب کو بڑھانے کی اجازت دیتا ہے۔ فی الحال، عملی استعمال کے لیے تکنیکی کامیابیاں ابھی بھی درکار ہیں۔ MA956 غیر محفوظ تہہ والی پلیٹ، جو کہ امریکہ سے کمبشن چیمبر مواد کی ایک نئی نسل ہے، 1300 ڈگری کے درجہ حرارت پر استعمال کی جا سکتی ہے۔
2) دہن چیمبرز میں سیرامک میٹرکس کمپوزٹ
امریکہ نے 1971 میں گیس ٹربائنوں کے لیے سیرامکس کی فزیبلٹی کی جانچ شروع کی۔ 1983 تک، جدید مواد کی تیاری میں مصروف مختلف گروہوں نے جدید طیاروں میں استعمال ہونے والی گیس ٹربائنز کے لیے کارکردگی کے میٹرکس قائم کیے تھے، جس میں ٹربائن کے داخلی درجہ حرارت کو 2200 ڈگری تک بڑھانا، کیمیکل کے حساب سے کام کرنا شامل تھا۔ حالات، اجزاء کی کثافت کو 8 g/cm³ سے 5 g/cm³ تک کم کرنا، اور ان اجزاء کے لیے ٹھنڈک کو ختم کرنا۔ جن مواد کا مطالعہ کیا گیا ان میں نہ صرف سنگل فیز سیرامکس بلکہ گریفائٹ، میٹل میٹرکس، اور سیرامک میٹرکس کمپوزائٹس کے ساتھ ساتھ انٹرمیٹالک مرکبات بھی شامل ہیں۔ سیرامک میٹرکس کمپوزائٹس (CMCs) کئی فوائد پیش کرتے ہیں: ان کے تھرمل توسیعی گتانک نکل پر مبنی مرکب دھاتوں کے مقابلے بہت کم ہوتے ہیں، اور کوٹنگز آسانی سے چھل جاتی ہیں۔ درمیانی دھاتی چٹائیوں کے ساتھ CMCs بنانا چھیلنے کے مسائل پر قابو پا سکتا ہے اور کمبشن چیمبر مواد کی ترقی کے لیے ایک سمت کی نمائندگی کرتا ہے۔ اس طرح کے مواد صرف 10% سے 20% ٹھنڈک ہوا کے ساتھ کام کر سکتے ہیں، جس کے نتیجے میں دھات کا بیک ٹمپریچر 800 ڈگری کے ارد گرد ہوتا ہے، جو مختلف کولنگ اور فلم کولنگ سے نمایاں طور پر کم ہوتا ہے۔ V2500 انجن سیرامک لیپت حفاظتی ٹائلوں کے ساتھ کاسٹ ہائی ٹمپریچر الائے B1900 استعمال کرتا ہے، اور ترقی کی سمت B1900 (سیرامک کوٹنگ کے ساتھ) ٹائلوں کو SiC پر مبنی کمپوزٹ یا آکسیڈیشن مزاحم C/C کمپوزائٹس سے بدلنا ہے۔ CMCs 15 سے 20 کے زور سے وزن کے تناسب والے انجنوں میں دہن کے چیمبروں کے لیے مواد ہیں، جو 1538 ڈگری سے 1650 ڈگری کے درجہ حرارت پر کام کرتے ہیں، جو شعلہ ٹیوبوں، تیرتی دیواروں کے پینلز، اور آفٹر برنر کمبشن چیمبرز کے لیے استعمال ہوتے ہیں۔
2. ٹربائن سیکشنز کے لیے اعلیٰ درجہ حرارت کے مرکب
ایرو انجن ٹربائن بلیڈ ان اجزاء میں سے ہیں جو انتہائی شدید درجہ حرارت کے بوجھ اور سخت آپریٹنگ ماحول کا تجربہ کرتے ہیں۔ انہیں اعلی درجہ حرارت پر اہم اور پیچیدہ دباؤ کا سامنا کرنا چاہیے، جس کی وجہ سے مادی ضروریات بہت سخت ہوتی ہیں۔ ٹربائن بلیڈ کے لئے اعلی درجہ حرارت کے مرکب کو مندرجہ ذیل درجہ بندی کیا جا سکتا ہے:
1) سٹیٹرز کے لئے اعلی درجہ حرارت کے مرکب
سٹیٹرز ٹربائن انجن کے ان اجزاء میں سے ہیں جو سب سے زیادہ تھرمل جھٹکا محسوس کرتے ہیں۔ جب دہن کے چیمبر میں ناہموار دہن ہوتا ہے، تو پہلے مرحلے کے سٹیٹر بلیڈ کافی تھرمل بوجھ برداشت کرتے ہیں، جو سٹیٹر کی ناکامی کی بنیادی وجہ ہیں۔ ان کا آپریٹنگ درجہ حرارت عام طور پر ٹربائن بلیڈ کے مقابلے میں تقریباً 100 ڈگری زیادہ ہوتا ہے، لیکن یہ جامد اجزاء ہوتے ہیں اور کم مکینیکل بوجھ کا تجربہ کرتے ہیں۔ تاہم، وہ تھرمل دباؤ کے لیے حساس ہوتے ہیں جو مسخ، تھرمل تھکاوٹ کے دراڑ، اور مقامی جلانے کا باعث بن سکتے ہیں۔ سٹیٹر بلیڈ کے لیے استعمال ہونے والے مرکب دھاتوں میں درج ذیل خصوصیات ہونی چاہئیں: کافی اعلی درجہ حرارت کی طاقت، رینگنے کے خلاف پائیداری، تھرمل تھکاوٹ کی اچھی کارکردگی، اعلی آکسیڈیشن اور تھرمل سنکنرن مزاحمت، تھرمل دباؤ اور کمپن کے خلاف مزاحمت، موڑنے کی اخترتی کی صلاحیتیں، اچھی کاسٹ ایبلٹی، اور تحفظ کی کارکردگی.
فی الحال، اعلی درجے کے ہائی تھرسٹ انجن اکثر دشاتمک یا سنگل کرسٹل نکل پر مبنی اعلی درجہ حرارت کے مرکب سے بنے کھوکھلی کاسٹ بلیڈ استعمال کرتے ہیں۔ ہائی تھرسٹ انجن 1650 ڈگری سے 1930 ڈگری تک پہنچنے والے درجہ حرارت پر کام کرتے ہیں، جس کے لیے تھرمل بیریئر کوٹنگز کے استعمال کی ضرورت ہوتی ہے۔ ٹھنڈک اور کوٹنگ کے تحفظ کے حالات کے تحت، بلیڈ الائے کا آپریٹنگ درجہ حرارت 1100 ڈگری سے زیادہ ہے، جو مستقبل کے سٹیٹر بلیڈ مواد پر درجہ حرارت، کثافت، اور لاگت کے لیے نئے اور زیادہ مطالبات عائد کرتا ہے۔
2) ٹربائن ورکنگ بلیڈز کے لیے ہائی ٹمپریچر اللویز
ٹربائن بلیڈ ایرو انجنوں میں اہم گھومنے والے اجزاء ہیں، جن کا آپریٹنگ درجہ حرارت سٹیٹر بلیڈ کے مقابلے 50 ڈگری سے 100 ڈگری کم ہوتا ہے۔ گردش کے دوران، وہ سخت حالات میں کام کرتے ہوئے اہم سینٹرفیوگل تناؤ، کمپن دباؤ، تھرمل تناؤ، اور ہوا کے بہاؤ کے کٹاؤ کا تجربہ کرتے ہیں۔ ہائی تھرسٹ انجنوں کا تقاضا ہے کہ تھرمل اینڈ پرزوں کی عمر 2000 گھنٹے سے زیادہ ہو۔ لہٰذا، ٹربائن بلیڈ مرکبات کو آپریٹنگ درجہ حرارت پر اعلی کریپ مزاحمت اور طویل مدتی فریکچر کی طاقت کا مظاہرہ کرنا چاہیے، بہترین اعلی اور درمیانے درجہ حرارت کی کارکردگی، بشمول ہائی اور لو سائیکل تھکاوٹ، تھرمل تھکاوٹ، کافی پلاسٹکٹی، اور اثر کی سختی، نیز اعلی آکسیکرن اور سنکنرن مزاحمت. ان میں اچھی تھرمل چالکتا اور ممکنہ حد تک کم لکیری توسیعی گتانک، اچھی کاسٹ ایبلٹی، اور طویل مدتی مائیکرو سٹرکچرل استحکام ہونا چاہیے جس میں آپریٹنگ درجہ حرارت پر TCP مرحلے کی بارش نہ ہو۔ استعمال شدہ مرکبات چار مراحل میں تیار ہوئے ہیں: گھڑے ہوئے مرکب جیسے GH4033، GH4143، اور GH4118؛ کاسٹ مرکبات جیسے K403، K417، K418، اور K405؛ دشاتمک ٹھوس مرکبات جیسے DZ4 اور DZ22؛ اور سنگل کرسٹل مرکبات جیسے DD3، DD8، اور PW1484۔ ترقی اب سنگل کرسٹل مرکب کی تیسری نسل تک پہنچ گئی ہے۔ چین میں، واحد کرسٹل مرکبات DD3 اور DD8 ٹربائن، ٹربوفین انجن، ہیلی کاپٹر اور بحری انجنوں میں استعمال ہوتے ہیں۔
3) ٹربائن ڈسکس کے لیے اعلی درجہ حرارت کے مرکب
ٹربائن ڈسک گھومنے والا بوجھ برداشت کرنے والا جزو ہے جو ٹربائن انجنوں میں سب سے زیادہ دباؤ کا تجربہ کرتا ہے۔ 8 اور 10 کے زور سے وزن کے تناسب والے انجنوں کے لیے، رم کا درجہ حرارت 650 ڈگری اور 750 ڈگری تک پہنچ جاتا ہے، جب کہ حب کا درجہ حرارت تقریباً 300 ڈگری ہوتا ہے، جس کے نتیجے میں درجہ حرارت میں نمایاں فرق ہوتا ہے۔ عام گردش کے دوران، ڈسک بلیڈ کو تیز رفتاری سے چلاتی ہے، زیادہ سے زیادہ سینٹری فیوگل، تھرمل، اور کمپن کے دباؤ کو برداشت کرتی ہے۔ ہر سٹارٹ اور شٹ ڈاؤن ایک سائیکل کی نمائندگی کرتا ہے، جس میں حب، گلے، نالی کے نیچے، اور کنارے سبھی مختلف جامع دباؤ کا سامنا کرتے ہیں۔ استعمال ہونے والے مرکب دھاتوں کو زیادہ سے زیادہ پیداواری طاقت، اثر کی سختی، اور آپریٹنگ درجہ حرارت پر کوئی نشانی حساسیت، کم لکیری توسیع کے گتانک، مخصوص آکسیکرن اور سنکنرن مزاحمت، اور اچھی مشینی صلاحیت کا مظاہرہ کرنا چاہیے۔
4) ایرو اسپیس ایپلی کیشنز کے لیے ہائی ٹمپریچر اللویز
مائع راکٹ انجنوں میں، کمبشن چیمبر انجیکٹر پینلز، ٹربائن پمپ موڑ، فلینجز، گریفائٹ فن فاسٹنرز اور بہت کچھ کے لیے اعلی درجہ حرارت والے مرکبات استعمال کیے جاتے ہیں۔ تھرسٹ چیمبر میں، اعلی درجہ حرارت والے مرکبات فیول انجیکٹر پینل کے طور پر کام کرتے ہیں، جس میں ٹربائن پمپ موڑ، فلینجز، اور گریفائٹ فن فاسٹنر بھی ان مواد سے بنائے جاتے ہیں۔ چین کے YF73 اور YF75 انجن GH3030 مصر دات کے تار کا استعمال کرتے ہیں جو ایک جالی میں بنے ہوئے ہیں، جسے پھر رول کیا جاتا ہے اور کمبشن چیمبر انجیکٹر کے لیے غیر محفوظ، مختلف کولنگ پینلز میں ڈالا جاتا ہے۔ ٹربائن روٹرز نے GH1040 اور GH2038A کا استعمال شروع کیا، بعد میں انٹیگرل فورجنگ کے ذریعے GH4169 میں تبدیل ہو گیا، GH1040 کے ساتھ طویل ٹیسٹنگ کے دوران ضرورت سے زیادہ خرابی کے مسائل پر قابو پانے کے لیے ڈسک مشین اور بلیڈز کو الیکٹرولائٹی طور پر پروسیس کیا گیا۔ GH1040 اور GH4169 کی کارکردگی کا موازنہ ظاہر کرتا ہے کہ طویل فاصلے تک مار کرنے والے میزائل انجنوں میں ٹربائن روٹرز کے لیے مادی ضروریات 20 منٹ کے لیے 398 MPa پر 800 ڈگری کے معیارات پر عمل پیرا ہیں۔ GH4169 30 منٹ کے لیے مستحکم مائیکرو اسٹرکچرل کارکردگی حاصل کر سکتا ہے، جبکہ GH1040 صرف 294 MPa کو 800 ڈگری پر 6 منٹ کے لیے برقرار رکھ سکتا ہے، آپریشنل ضروریات کو پورا کرنے میں ناکام رہتا ہے۔ خاص طور پر، -253 ڈگری سے کمرے کے درجہ حرارت تک، GH4169 کی طاقت 392 MPa سے 400 MPa تک بڑھ جاتی ہے، جس میں پلاسٹکٹی میں کم سے کم تبدیلی اور کم درجہ حرارت کے اثرات کی سختی ہوتی ہے۔ لہذا، GH4169 کا استعمال اہم بوجھ برداشت کرنے والے اجزاء جیسے ٹربائن روٹرز، شافٹ اور فاسٹنرز کے لیے کیا جاتا ہے۔
امریکی مائع راکٹ انجنوں میں، ٹربائن روٹر مواد میں انٹیک مینی فولڈ، ٹربائن بلیڈ اور ڈسکس شامل ہیں۔ چین بنیادی طور پر ٹربائن بلیڈز کے لیے GH1131 مرکب استعمال کرتا ہے، جو آپریٹنگ درجہ حرارت کے ساتھ مختلف ہوتے ہیں، ترتیب وار Inconel x، Alloy 713C، Astroloy، اور Mar-M246 کو اپناتے ہیں۔ ڈسک کے مواد میں Inconel 718 اور Waspaloy شامل ہیں، چین بنیادی طور پر GH4169 اور GH4141 کو انٹیگرل ٹربائنز اور GH2038A انجن شافٹ کے لیے استعمال کرتا ہے۔