Extracting the operating thermal map and microstructural degradation gradient of a 25,000 h service-exposed CM88Y blade
यह अध्ययन उन्नत लक्षण वर्णन (characterization) और व्युत्क्रम गतिज मॉडलिंग (inverse kinetic modeling) का उपयोग करते हुए, एक 25,000-घंटे की सेवा-एक्सपोज़्ड CM88Y टर्बाइन ब्लेड के पहले व्यापक स्पैनवाइज़ सूक्ष्म संरचनात्मक और यांत्रिक क्षरण मानचित्र को प्रस्तुत करता है, जो एक ऑपरेटिंग थर्मल प्रोफाइल को पुनर्गठित करने और शेष-जीवन मूल्यांकन एवं कायाकल्प योजना के लिए एक नैदानिक प्रोटोकॉल प्रदान करता है।
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गैस टर्बाइन के हृदय के भीतर, जहाँ हवा को संकुचित किया जाता है और शक्ति उत्पन्न करने के लिए प्रज्वलित किया जाता है, धातु के ब्लेड चक्करदार गति से घूमते हैं और उन तापमानों को सहन करते हैं जो अधिकांश सामग्रियों को पिघला सकते हैं। ये ब्लेड केवल धातु के ठोस टुकड़े नहीं हैं; वे एक विशेष निकल-आधारित मिश्र धातु (nickel-based alloy) से बनी जटिल, इंजीनियर संरचनाएं हैं जिन्हें निरंतर संचालन के अत्यधिक ताप और तनाव का प्रतिरोध करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। हालाँकि, समय के साथ, यह तीव्र वातावरण अपना प्रभाव डालता है। धातु के भीतर सूक्ष्म निर्माण खंड अपना आकार बदलने और बड़े होने लगते हैं, जिसे 'कोर्सनिंग' (coarsening) कहा जाता है, जो सामग्री की एकजुट रहने की क्षमता को कमजोर कर देता है। इसी प्रकार, छोटे कण जो सामान्यतः धातु को मजबूती प्रदान करते हैं, वे घुल सकते हैं या ग्रेन (grains) की सीमाओं के बीच निरंतर फिल्मों के रूप में पुनर्गठित हो सकते हैं, जिससे ऐसे कमजोर स्थान बन जाते हैं जहाँ दरारें अंततः शुरू हो सकती हैं। यह समझना कि ये परिवर्तन ठीक कैसे और कहाँ होते हैं, उन ऑपरेटरों के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है जिन्हें यह जानने की आवश्यकता होती है कि कब एक ब्लेड अपने सुरक्षित जीवन के अंत के करीब है या कब हीट ट्रीटमेंट (heat treatment) के माध्यम से इसकी मजबूती को बहाल करना संभव हो सकता है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने हाल ही में एक विशिष्ट टर्बाइन ब्लेड पर ध्यान केंद्रित किया जिसने गैस ट्रांसमिशन सुविधा में वास्तविक दुनिया की पच्चीस हजार घंटों की असाधारण सेवा में जीवित रहकर अपनी क्षमता सिद्ध की थी। यह ब्लेड, जो CM88Y नामक मिश्र धातु से बना था, एक टर्बाइन के दूसरे चरण में घूम रहा था, जो दस से अधिक वर्षों तक गर्म गैसों और अपकेंद्री बलों (centrifugal forces) के संपर्क में रहा। क्योंकि यह ब्लेड इतनी लंबी अवधि तक सेवा में रहा था, वैज्ञानिक इसकी तुलना किसी नए, अप्रयुक्त ब्लेड से सीधे नहीं कर सके, क्योंकि इस विशिष्ट भाग के लिए कोई नया ब्लेड उपलब्ध नहीं था। इसके बजाय, उन्होंने ब्लेड के 'रूट' (root)—वह हिस्सा जो टर्बसन डिस्क में लॉक होता है और सबसे गर्म गैसों से सुरक्षित रहता है—को एक आधारभूत संदर्भ (baseline reference) के रूप में उपयोग किया। इस संरक्षित रूट की तुलना अत्यधिक उपयोग किए गए एयरफॉइल (airfoil) अनुभागों से करके, वे यह मानचित्रित कर सके कि धातु ब्लेड के सिरे से लेकर उसके आधार तक, और उसके अगले किनारे से पिछले किनारे तक, ठीक कैसे खराब हुई थी।
शोधकर्ताओं ने धातु के सूक्ष्म परिदृश्य की जांच करने के लिए ब्लेड को विभिन्न खंडों में काटा। उन्होंने पाया कि परिवर्तन समान नहीं थे; क्षति ब्लेड के ऊपरी हिस्से और अग्रणी किनारे (leading edge) पर बहुत अधिक गंभीर थी, जहाँ गर्म गैस पहली बार सतह से टकराती है। इन उच्च-तनाव वाले क्षेत्रों में, धातु के भीतर मजबूती प्रदान करने वाले कण काफी बड़े हो गए थे, जो औसतन लगभग 182 नैनोमीटर से बढ़कर लगभग 262 नैनोमीटर हो गए थे। साथ ही, इन कणों का आयतन बढ़ गया, लेकिन इस वृद्धि की एक कीमत चुकानी पड़ी: उनके बीच के स्थान चौड़े हो गए, जिससे धातु के लिए तनाव के तहत विकृत (deform) होना आसान हो गया। धातु के ग्रेन की सीमाओं के साथ, हार्ड कार्बाइड कणों की एक निरंतर फिल्म बन गई थी, जो सबसे अधिक क्षतिग्रस्त क्षेत्रों में लगभग 1.2 तक मोटी हो गई थी। यह फिल्म, जो संरक्षित रूट में बहुत कम मौजूद थी, एक बाधा के रूप में कार्य करती है जो भंगुरता (brittleness) का कारण बन सकती है। इसके विपरीत, रूट अनुभाग उल्लेखनीय रूप से अपरिवर्तित रहा, जिसने अपने मूल तीखे, घन के आकार के कणों और अलग-थलग कार्बाइड धब्बों को बनाए रखा, जिससे पुष्टि हुई कि इसने न्यूनतम थर्मल क्षति का अनुभव किया था।
ब्लेड के अदृश्य इतिहास को समझने के लिए, टीम ने इन सूक्ष्म कणों के आकार को एक थर्मामीटर के रूप में उपयोग किया। विशिष्ट तापमानों पर कणों के बढ़ने के स्थापित सिद्धांतों को लागू करके, उन्होंने देखे गए कणों के आकार से पीछे की ओर गणना की ताकि उस वास्तविक धातु तापमान का पता लगाया जा सके जिसका ब्लेड ने पच्चीस हजार घंटों की सेवा के दौरान सामना किया था। इस रिवर्स-इंजीनियरिंग ने ब्लेड के जीवन का एक विस्तृत थर्मल मैप प्रकट किया। सबसे गर्म स्थान अग्रणी किनारे के ऊपरी खंड पर पाया गया, जहाँ धातु का तापमान लगभग 693 डिग्री सेल्सियस तक पहुँच गया था। जैसे-जैसे वे ब्लेड के नीचे रूट की ओर और पिछले किनारे की ओर बढ़े, तापमान गिरता गया, जिसमें सबसे निचले परिचालन क्षेत्र 572 डिग्री सेल्सियस के आसपास रहे। इस ग्रेडिएंट ने पुष्टि की कि ब्लेड के भीतर की कूलिंग प्रणाली प्रभावी थी, जिसने निचले अनुभागों को टिप की तुलना में काफी ठंडा रखा।
अध्ययन ने इन विभिन्न क्षेत्रों में धातु की कठोरता (hardness) को भी मापा। जैसा कि अपेक्षित था, सबसे गंभीर सूक्ष्म परिवर्तनों वाले क्षेत्र सबसे नरम थे। ऊपरी खंड के अग्रणी किनारे ने रूट की तुलना में कठोरता में उल्लेखनीय गिरावट दिखाई, जो कोर्सनिंग कणों और निरंतर कार्बाइड फिल्मों के निर्माण का सीधा परिणाम था। यह कोमलता यह संकेत देती है कि सामग्री ने अपनी विकृति का प्रतिरोध करने की क्षमता कुछ हद तक खो दी है, जो ऑपरेटरों के लिए एक महत्वपूर्ण कारक है जब वे यह तय करते हैं कि क्या एक ब्लेड सुरक्षित रूप से चलना जारी रख सकता है या इसे बदलने की आवश्यकता है। इन सूक्ष्म मापों को मिश्र धातु में कणों के सघन पैकिंग (dense packing) को ध्यान में रखने वाले एक गणितीय मॉडल के साथ जोड़कर, शोधकर्ताओं ने बिना किसी आंतरिक सेंसर के, ब्लेड के थर्मल इतिहास की एक सटीक, त्रि-आयामी तस्वीर तैयार की।
यह कार्य गैस टर्बाइन उद्योग के लिए एक शक्तिशाली नया उपकरण प्रदान करता है। ब्लेड के विफल होने का अनुमान लगाने या तापमान के मोटे अनुमानों पर निर्भर रहने के बजाय, ऑपरेटर अब एक निकाले गए ब्लेड की जांच कर सकते हैं और उसके संपूर्ण थर्मल इतिहास को उच्च सटीकता के साथ पुनर्गठित कर सकते हैं। निष्कर्षों से पता चलता है कि हालांकि ब्लेड पच्चीस हजार घंटों तक जीवित रहा, लेकिन ऊपरी खंड, विशेष रूप से अग्रणी किनारे पर, महत्वपूर्ण टूट-फूट से गुजरा है। यह ज्ञान इंजीनियरों को रखरखाव की सटीक योजना बनाने में मदद करता है, जिससे वे यह तय कर सकते हैं कि क्या ब्लेड को उसकी मजबूती बहाल करने के लिए हीट ट्रीटमेंट के माध्यम से पुनर्जीवित किया जा सकता है या क्या यह अपने सुरक्षित सेवा जीवन की सीमा तक पहुँच गया है। विकसित की गई विधि यहाँ मशीन द्वारा झेले गए अदृश्य तनावों को देखने का एक तरीका प्रदान करती है, जो धातु के एक टुकड़े पर सूक्ष्म निशानों को भविष्य की बिजली उत्पादन के लिए एक स्पष्ट, कार्रवाई योग्य मानचित्र में बदल देती है।
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