قطعات سوپرآلياژي کاربردهاي متنوع و وسيعي در صنايع مختلف از جملهايمپلنتها، صنايع زيردريايي، هوافضا و غيره دارند، اما كاربرد عمدة سوپرآلياژها، در پرههاي توربينهاي گازي است. اين توربينها در سه وزارتخانةدفاع، نفت و نيرو داراي اهميت فوقالعادهاي ميباشند. ساخت پرههاياين توربينها نياز به توانايي بالايي از لحاظ تكنولوژي دارد. دکتر سيروسعسگري، عضو هيأت علمي دانشکدة مهندسي و علم مواد دانشگاه صنعتي شريف درگفتگوي با شبكه تحليلگران تكنولوژي ايران (ايتان) دربارة توليد قطعاتسوپرآلياژي و وضعيت كنوني كشور در اين زمينه مطالبي را بيان كرد کهخلاصهاي از آن، در زير آورده شده است:
روشهاي توليد
قطعات سوپرآلياژي، به دو روش عمده توليد ميشوند:
الف) روش ريختهگري دقيق: اين روش، عمدتاً براي توليد پرههاي ثابت و متحرکتوربين استفاده ميشود. به اين دسته از محصولات، "قطعات سوپرآلياژيريختگي" (Cast Super alloy) ميگويند.
ب) روش شکلدهي: اين روش،شامل فرآيندهايي چون فورج و نورد است و محصولات آن از قبيل ديسک، ورق،ميلگرد، لوله و مفتول ميباشد. به اين گروه از محصولات، "قطعات سوپرآلياژيکارپذير" (Wrought Super alloy) گفته ميشود.
در روش ريختهگري،مهمترين تجهيزات مورد نياز يک کورة تحت خلاء است، ولي در مورد روششکلدهي، معمولاً تجهيزات پيچيدهتر است. البته در حال حاضر امکانات وسيعشکلدهي در سطح کشور وجود دارد و مشکل اصلي در اين بخش، ضعف در دانش فنياست.
توليد قطعات سوپرآلياژي به روش ريختهگري
براي توليد يک قطعة سوپرآلياژي به روش ريختهگري بهخصوص پرة توربين که مهمترين قطعه سوپرآلياژي است، چهار مرحله بايد انجام شود:
1- مهندسي معکوس (جهت تهية نقشه و مشخصات فني)
2- ساخت قالب و ريختهگري دقيق
3- ماشينکاري قطعات ريختهشده
4- پوششدهي
اينچهار مرحله براي توليد پره، به خصوص "پرههاي متحرک" رديف اول و دوم بايدانجام شوند. البته "پرههاي ثابت" ممکن است بخش پوششدهي را نداشته باشند. همچنين پرههاي متحرک در رديفهاي سوم و بالاتر در بعضي موتورها ممکن استاز طريق فرايند فورجينگ توليد شده و پوشش نداشته باشند. همچنين براي ايجادهر صنعت، سه عامل تجهيزات، نيروي انساني ماهر و دانش فني، لازم است كه باتوجه به اين سه عامل، ميتوان به بررسي وضعيت کشور در مورد مراحل چهارگانةفوق و نيز مشکلات آنها پرداخت:
1- مهندسي معکوس
در اينجامنظور از مهندسي معکوس فرايندي است که در آن از تعدادي نمونه موجود،مشخصات فني و نقشههاي مورد نياز براي توليد و ساخت نمونههاي مشابه بدستآيد.
اين فرايند شامل اندازهگيريهاي ابعادي به وسيلهCMM ودستگاههاي مخصوص ديگر و سپس تهية نقشه ميباشد. تجهيزات لازم، تقريباً درکشور موجود بوده و CMM و نرمافزارهاي مورد نياز نيز موجود است. نياز اصليبه نيروي انساني متخصصي است که توانايي Surface modeling با دقت کافي راداشته باشد.
مشکلي که در توليد پرههاي توربين وجود دارد، ايناست که پره، محصول نهايي نيست بلکه محصول نهايي "توربين" است و پرههابايد طوري دقيق ساخته شوند، تا وقتي تعداد زيادي پره در توربين نصبميشوند شرايط لازم را ايجاد نمايند. ممکن است قطعه توليد شده چيزي شبيهبه پره اصلي باشد، اما رعايت تلرانسهاي مجاز، بالاخص در نقاط حساس پره،نيازمند تجربه کافي است. تلرانسهاي قسمتهاي مختلف پره بالاخص در نقاطحساس بر توان خروجي موتور بويژه در موتورهاي هوايي تا‌ثير تعيينکنندهايدارد.
براي حل اين مشکلات و تربيت نيروهاي ماهر، بايد انتقالدانش فني لازم انجام شود و اين دانش فني بايد از شرکتهايي انتقال يابد کهداراي اعتبار بينالمللي در اين زمينه هستند. معمولاً شرکتهايي توانايياين کار را دارند که از اطلاعات OEM بهرهمند باشند؛ يعني با طراحي موتورآشنا بوده و تلرانسها را بدانند، حساسيتها را بشناسند و با پارامترهاييکه بايد از نظر ابعادي کنترل شوند، آشنايي داشته باشند.(رجوع شود به: نقدو بررسي روش انتقال تکنولوژي پرههاي توربين)
با توجه به مطالببالا شايد اين تصور پيش آيد که بحث مهندسي معکوس منتفي است، چون نيازمنددانش طراحي و ساخت توربين است. اما بايد توجه کرد که در قطعات با حساسيتكم و نيز توربينهايي که قدرت پاييني دارند، براحتي ميتوان مهندسي معکوسرا پياده كرد. براي قطعات بزرگ و حساس و بهخصوص پرههاي هوايي اين نکاتقابل چشمپوشي نيست و بايد با شرکتي که توان کافي را دارا باشد، همکاريشود. فعاليتي که در اين بخش در کشور انجام شده روي پرههاي کوچک و سادهبوده که در آنها حفرههاي خنککننده وجود ندارد.
2- ريختهگري دقيق
درريختهگري دقيق، ابتدا قالب موم ساختهشده و سپس قطعات از جنس تزريق شده وپس از مونتاژ روي خوشه مومي پوسته سراميک ايجاد ميشود. در مرحله بعد مومتبخير شده و پوستة سراميكي بهعنوان قالب عمل كرده و ريختهگري انجامميگردد.
براي ساخت قطعات کوچک، دو کورة دوچمبره (Double chamber vim) موجود است. اما براي ساخت قطعات بزرگتر نياز به کورههايي با ظرفيتبالاتر است. در حال حاضر براي ظرفيتهاي بالا، در داخل كشور فقط دستگاهتکچمبره وجود دارد که معمولاً براي توليد شمش به صورت نيمهصنعتي بکارميرود. تاکنون چند قطعه بهصورت آزمايشگاهي ريختهگري شده است. در اينراستا چند بازديد انجام شده و امکاناتي نيز وارد شده است ولي اين امکاناتجهت توليد انبوه جوابگو نيست.
موضوع حايز اهميت ديگر اين است کهدر فرايند ريختهگري پارامترهاي بسياري از جمله پارامترهاي محيطي مثلرطوبت، دما و غيره دخيل است که تجهيزات خاصي را جهت كنترل نياز دارد. درشرکتهاي معتبر اين پارامترها از طريق سيستم کنترل مرکزي تنظيم ميشوند کهبايد روي اين موارد کار شود. از نظر دانش فني قلب فرايند ريختهگري ساختقالب سراميکي بويژه براي پرههاي نازک و ماهيچهخور است.
از نظرنيروي انساني، در اين 10 سال خوب عمل شده است اما از نظر دانش فني بايدروي قطعات مورد نظر با دقت کار شود، چون توليد قطعات به اين روش دشواريخاص خود را دارد.
البته براي توليد قطعات ساده و با ضخامتهايزياد (توربينهاي قديمي و صنعتي) که از نظر تلرانسهاي ابعادي حساسيتکمتري دارند، مشکل چنداني وجود ندارد. اما در مورد قطعات نازك و قطعاتماهيچهخور و سوراخدار پيچيدگيها و حساسيتهاي خاص وجود دارد. از آنجاکه در ريختهگري دقيق، دانش پاية آن موجود است، در بحث دانش فني بايدبيشتر به نکات پيچيده و ظريف توجه شود. يعني بعد از اين بايد براي کسبدانش فني قطعات نازک، قطعات پيچيده و قطعات بزرگ داراي حساسيت بيشتر، تلاششود. قطعات پس از ريختهگري معمولاً بايد تحت عمليات HIP قرار گيرند. بهدليل عدم وجود تجهيزات مورد نياز در حال حاضر قطعات ريختگي در خارج ازکشور HIP ميشوند.
3- ماشين‌كاري
قطعات سوپرآلياژي بعداز ريختهگري بايد ماشينکاري شوند که نقشهها و دستورالعملهاي لازم ازطريق مهندسي معکوس آماده ميشود. ماشين‌كاري سوپرآلياژها صنعت مربوط بهخود را دارد. سوپرآلياژها و بهخصوص آنهايي كه ريختهگري ميشوند، بسيارسخت و محكم ميباشند. در 10 سال گذشته براي تراشكاري‌هاي ساده، تجهيزاتخوبي خريداري شده است و دانش فني آن در حال تکميل و توسعه ميباشد وتقريباً در تراشكاري پرة ريخته شده، مشكلي وجود ندارد.
اماتكنولوژي بعدي مورد نياز در اين قسمت، تکنولوژي سوراخكاري پرهها به روشالکتروشيميايي جهت ايجاد سوراخهاي خنککننده هوا روي پرهها ميباشد. دراين بخش فعلاً دانش فني و تجهيزات لازم موجود نيست و وزارت نيرو در حالوارد كردن تكنولوژي آن است. در حال حاضر شركت‌هاي داخلي براي سوراخكاريقطعات، آنها را به خارج از كشور ارسال مي‌كنند.
4- پوششدهي
برايپوشش‌دهي در كشور، دو مركز خوب موجود است. يك مركز در "صها" است كهپوشش‌دهي پرههاي هوايي را انجام مي‌دهد و با استانداردهاي 30 سال پيش كارمي‌كند. مشكل اين مركز، قطع ارتباط با صنعت مادر خود و عدم بهروزكردناستانداردهاي خود است. مركزي نيز در کرج وجود دارد که روي پوششدهيپره‌هاي صنعتي وزارت نيرو مشغول فعاليت است.
مطلب قابل توجه دراينجا، حرکت به سمت پوشش‌هاي جديد است. در حال حاضر قطعاتي در داخل کشوروجود دارند که با "پلاسما اسپري" تحت خلاء، پوشش داده ميشوند. هرچند کهتجهيزات آن قبلاً خريداري شده است، ولي به طور متمرکز روي آن کاري صورتنگرفته است، لذا برنامهريزي در اين زمينه نيز ضروري است.
وضعيت كنوني كشور در رابطه با توليد توربين گازي
اقداماتيتوسط وزارتخانههاي نيرو و نفت، جهت تمركز توليد توربين در حال انجاماست. يكي از مشكلات مهم در بحث ساخت و تعمير توربينها، تنوع آنها ميباشدكه در نتيجه توجيه اقتصادي از بين ميرود. بنابراين در اين وزارت خانههاتصميم گرفته شد كه تنوع، پايين آورده شود و انتقال دانش روي موتورهايخاصي انجام گيرد.
در اين رابطه وزارت نيرو براي توليد 30 عددتوربين گازي "زيمنس" که با استفاده از شرکتهاي داخلي ساخته خواهد شد،قراردادي با شرکت Ansaldo ايتاليا منعقد کرده است كه در اين راستا شرکت "توگا" تأسيس شده است. در اين قرارداد، تکنولوژي تمامي بخشهاي توربين بجزپرههاي آن انتقال داده ميشود و اخيراً براي توليد پرههاي اين توربينهابا شرکتهاي Non-OEM ارتباط برقرار شده است.
وزارت نفت نيزقراردادي با "Alstom" جهت ساخت 50 دستگاه توربين، براي انتقال دانش فني بهداخل کشور منعقد کرده است که البته در اينجا نيز پرهها جزء قرارداد نيست.
در بخش هوايي اطلاعات دقيقي در مورد برنامه کلان ساخت موتورهايتوربين گازي در دسترس نيست. اما رشد صنعت پرههاي هوايي در کشور نياز مبرمبه برنامهريزي کلان و تعيين اهداف درازمدت در اين زمينه دارد.
روشهاي توليد
قطعات سوپرآلياژي، به دو روش عمده توليد ميشوند:
الف) روش ريختهگري دقيق: اين روش، عمدتاً براي توليد پرههاي ثابت و متحرکتوربين استفاده ميشود. به اين دسته از محصولات، "قطعات سوپرآلياژيريختگي" (Cast Super alloy) ميگويند.
ب) روش شکلدهي: اين روش،شامل فرآيندهايي چون فورج و نورد است و محصولات آن از قبيل ديسک، ورق،ميلگرد، لوله و مفتول ميباشد. به اين گروه از محصولات، "قطعات سوپرآلياژيکارپذير" (Wrought Super alloy) گفته ميشود.
در روش ريختهگري،مهمترين تجهيزات مورد نياز يک کورة تحت خلاء است، ولي در مورد روششکلدهي، معمولاً تجهيزات پيچيدهتر است. البته در حال حاضر امکانات وسيعشکلدهي در سطح کشور وجود دارد و مشکل اصلي در اين بخش، ضعف در دانش فنياست.
توليد قطعات سوپرآلياژي به روش ريختهگري
براي توليد يک قطعة سوپرآلياژي به روش ريختهگري بهخصوص پرة توربين که مهمترين قطعه سوپرآلياژي است، چهار مرحله بايد انجام شود:
1- مهندسي معکوس (جهت تهية نقشه و مشخصات فني)
2- ساخت قالب و ريختهگري دقيق
3- ماشينکاري قطعات ريختهشده
4- پوششدهي
اينچهار مرحله براي توليد پره، به خصوص "پرههاي متحرک" رديف اول و دوم بايدانجام شوند. البته "پرههاي ثابت" ممکن است بخش پوششدهي را نداشته باشند. همچنين پرههاي متحرک در رديفهاي سوم و بالاتر در بعضي موتورها ممکن استاز طريق فرايند فورجينگ توليد شده و پوشش نداشته باشند. همچنين براي ايجادهر صنعت، سه عامل تجهيزات، نيروي انساني ماهر و دانش فني، لازم است كه باتوجه به اين سه عامل، ميتوان به بررسي وضعيت کشور در مورد مراحل چهارگانةفوق و نيز مشکلات آنها پرداخت:
1- مهندسي معکوس
در اينجامنظور از مهندسي معکوس فرايندي است که در آن از تعدادي نمونه موجود،مشخصات فني و نقشههاي مورد نياز براي توليد و ساخت نمونههاي مشابه بدستآيد.
اين فرايند شامل اندازهگيريهاي ابعادي به وسيلهCMM ودستگاههاي مخصوص ديگر و سپس تهية نقشه ميباشد. تجهيزات لازم، تقريباً درکشور موجود بوده و CMM و نرمافزارهاي مورد نياز نيز موجود است. نياز اصليبه نيروي انساني متخصصي است که توانايي Surface modeling با دقت کافي راداشته باشد.
مشکلي که در توليد پرههاي توربين وجود دارد، ايناست که پره، محصول نهايي نيست بلکه محصول نهايي "توربين" است و پرههابايد طوري دقيق ساخته شوند، تا وقتي تعداد زيادي پره در توربين نصبميشوند شرايط لازم را ايجاد نمايند. ممکن است قطعه توليد شده چيزي شبيهبه پره اصلي باشد، اما رعايت تلرانسهاي مجاز، بالاخص در نقاط حساس پره،نيازمند تجربه کافي است. تلرانسهاي قسمتهاي مختلف پره بالاخص در نقاطحساس بر توان خروجي موتور بويژه در موتورهاي هوايي تا‌ثير تعيينکنندهايدارد.
براي حل اين مشکلات و تربيت نيروهاي ماهر، بايد انتقالدانش فني لازم انجام شود و اين دانش فني بايد از شرکتهايي انتقال يابد کهداراي اعتبار بينالمللي در اين زمينه هستند. معمولاً شرکتهايي توانايياين کار را دارند که از اطلاعات OEM بهرهمند باشند؛ يعني با طراحي موتورآشنا بوده و تلرانسها را بدانند، حساسيتها را بشناسند و با پارامترهاييکه بايد از نظر ابعادي کنترل شوند، آشنايي داشته باشند.(رجوع شود به: نقدو بررسي روش انتقال تکنولوژي پرههاي توربين)
با توجه به مطالببالا شايد اين تصور پيش آيد که بحث مهندسي معکوس منتفي است، چون نيازمنددانش طراحي و ساخت توربين است. اما بايد توجه کرد که در قطعات با حساسيتكم و نيز توربينهايي که قدرت پاييني دارند، براحتي ميتوان مهندسي معکوسرا پياده كرد. براي قطعات بزرگ و حساس و بهخصوص پرههاي هوايي اين نکاتقابل چشمپوشي نيست و بايد با شرکتي که توان کافي را دارا باشد، همکاريشود. فعاليتي که در اين بخش در کشور انجام شده روي پرههاي کوچک و سادهبوده که در آنها حفرههاي خنککننده وجود ندارد.
2- ريختهگري دقيق
درريختهگري دقيق، ابتدا قالب موم ساختهشده و سپس قطعات از جنس تزريق شده وپس از مونتاژ روي خوشه مومي پوسته سراميک ايجاد ميشود. در مرحله بعد مومتبخير شده و پوستة سراميكي بهعنوان قالب عمل كرده و ريختهگري انجامميگردد.
براي ساخت قطعات کوچک، دو کورة دوچمبره (Double chamber vim) موجود است. اما براي ساخت قطعات بزرگتر نياز به کورههايي با ظرفيتبالاتر است. در حال حاضر براي ظرفيتهاي بالا، در داخل كشور فقط دستگاهتکچمبره وجود دارد که معمولاً براي توليد شمش به صورت نيمهصنعتي بکارميرود. تاکنون چند قطعه بهصورت آزمايشگاهي ريختهگري شده است. در اينراستا چند بازديد انجام شده و امکاناتي نيز وارد شده است ولي اين امکاناتجهت توليد انبوه جوابگو نيست.
موضوع حايز اهميت ديگر اين است کهدر فرايند ريختهگري پارامترهاي بسياري از جمله پارامترهاي محيطي مثلرطوبت، دما و غيره دخيل است که تجهيزات خاصي را جهت كنترل نياز دارد. درشرکتهاي معتبر اين پارامترها از طريق سيستم کنترل مرکزي تنظيم ميشوند کهبايد روي اين موارد کار شود. از نظر دانش فني قلب فرايند ريختهگري ساختقالب سراميکي بويژه براي پرههاي نازک و ماهيچهخور است.
از نظرنيروي انساني، در اين 10 سال خوب عمل شده است اما از نظر دانش فني بايدروي قطعات مورد نظر با دقت کار شود، چون توليد قطعات به اين روش دشواريخاص خود را دارد.
البته براي توليد قطعات ساده و با ضخامتهايزياد (توربينهاي قديمي و صنعتي) که از نظر تلرانسهاي ابعادي حساسيتکمتري دارند، مشکل چنداني وجود ندارد. اما در مورد قطعات نازك و قطعاتماهيچهخور و سوراخدار پيچيدگيها و حساسيتهاي خاص وجود دارد. از آنجاکه در ريختهگري دقيق، دانش پاية آن موجود است، در بحث دانش فني بايدبيشتر به نکات پيچيده و ظريف توجه شود. يعني بعد از اين بايد براي کسبدانش فني قطعات نازک، قطعات پيچيده و قطعات بزرگ داراي حساسيت بيشتر، تلاششود. قطعات پس از ريختهگري معمولاً بايد تحت عمليات HIP قرار گيرند. بهدليل عدم وجود تجهيزات مورد نياز در حال حاضر قطعات ريختگي در خارج ازکشور HIP ميشوند.
3- ماشين‌كاري
قطعات سوپرآلياژي بعداز ريختهگري بايد ماشينکاري شوند که نقشهها و دستورالعملهاي لازم ازطريق مهندسي معکوس آماده ميشود. ماشين‌كاري سوپرآلياژها صنعت مربوط بهخود را دارد. سوپرآلياژها و بهخصوص آنهايي كه ريختهگري ميشوند، بسيارسخت و محكم ميباشند. در 10 سال گذشته براي تراشكاري‌هاي ساده، تجهيزاتخوبي خريداري شده است و دانش فني آن در حال تکميل و توسعه ميباشد وتقريباً در تراشكاري پرة ريخته شده، مشكلي وجود ندارد.
اماتكنولوژي بعدي مورد نياز در اين قسمت، تکنولوژي سوراخكاري پرهها به روشالکتروشيميايي جهت ايجاد سوراخهاي خنککننده هوا روي پرهها ميباشد. دراين بخش فعلاً دانش فني و تجهيزات لازم موجود نيست و وزارت نيرو در حالوارد كردن تكنولوژي آن است. در حال حاضر شركت‌هاي داخلي براي سوراخكاريقطعات، آنها را به خارج از كشور ارسال مي‌كنند.
4- پوششدهي
برايپوشش‌دهي در كشور، دو مركز خوب موجود است. يك مركز در "صها" است كهپوشش‌دهي پرههاي هوايي را انجام مي‌دهد و با استانداردهاي 30 سال پيش كارمي‌كند. مشكل اين مركز، قطع ارتباط با صنعت مادر خود و عدم بهروزكردناستانداردهاي خود است. مركزي نيز در کرج وجود دارد که روي پوششدهيپره‌هاي صنعتي وزارت نيرو مشغول فعاليت است.
مطلب قابل توجه دراينجا، حرکت به سمت پوشش‌هاي جديد است. در حال حاضر قطعاتي در داخل کشوروجود دارند که با "پلاسما اسپري" تحت خلاء، پوشش داده ميشوند. هرچند کهتجهيزات آن قبلاً خريداري شده است، ولي به طور متمرکز روي آن کاري صورتنگرفته است، لذا برنامهريزي در اين زمينه نيز ضروري است.
وضعيت كنوني كشور در رابطه با توليد توربين گازي
اقداماتيتوسط وزارتخانههاي نيرو و نفت، جهت تمركز توليد توربين در حال انجاماست. يكي از مشكلات مهم در بحث ساخت و تعمير توربينها، تنوع آنها ميباشدكه در نتيجه توجيه اقتصادي از بين ميرود. بنابراين در اين وزارت خانههاتصميم گرفته شد كه تنوع، پايين آورده شود و انتقال دانش روي موتورهايخاصي انجام گيرد.
در اين رابطه وزارت نيرو براي توليد 30 عددتوربين گازي "زيمنس" که با استفاده از شرکتهاي داخلي ساخته خواهد شد،قراردادي با شرکت Ansaldo ايتاليا منعقد کرده است كه در اين راستا شرکت "توگا" تأسيس شده است. در اين قرارداد، تکنولوژي تمامي بخشهاي توربين بجزپرههاي آن انتقال داده ميشود و اخيراً براي توليد پرههاي اين توربينهابا شرکتهاي Non-OEM ارتباط برقرار شده است.
وزارت نفت نيزقراردادي با "Alstom" جهت ساخت 50 دستگاه توربين، براي انتقال دانش فني بهداخل کشور منعقد کرده است که البته در اينجا نيز پرهها جزء قرارداد نيست.
در بخش هوايي اطلاعات دقيقي در مورد برنامه کلان ساخت موتورهايتوربين گازي در دسترس نيست. اما رشد صنعت پرههاي هوايي در کشور نياز مبرمبه برنامهريزي کلان و تعيين اهداف درازمدت در اين زمينه دارد.
