የመከላከያ ጋዝ መለኪያዎች በሌዘር ብየዳ ሂደት ላይ ያላቸው ተጽዕኖ

የሌዘር ብየዳ ቴክኖሎጂበከፍተኛ የኃይል ጥግግት፣ ዝቅተኛ የሙቀት ግብዓት እና ንክኪ ባለማድረግ ባህሪያቱ ምክንያት፣ በዘመናዊ ትክክለኛነት ማምረቻ ውስጥ ካሉት ዋና ዋና ሂደቶች አንዱ ሆኗል። ሆኖም፣ በመገጣጠሚያ ወቅት የቀለጠው ገንዳ ከከባቢ አየር ጋር በመገናኘቱ ምክንያት የሚፈጠረው ኦክሲዴሽን፣ ቀዳዳ እና የንጥረ ነገሮች መቃጠል ያሉ ችግሮች የብየዳ ስፌቱን ሜካኒካል ባህሪያት እና የአገልግሎት ዘመን በእጅጉ ይገድባሉ። የብየዳ አካባቢን ለመቆጣጠር እንደ ዋና መካከለኛ፣ የዓይነቱ፣ የፍሰት ፍጥነት እና የመከላከያ ጋዝ የመንፋት ሁነታ ከቁሳዊ ባህሪያት (እንደ ኬሚካላዊ እንቅስቃሴ፣ የሙቀት አማቂነት) እና የሳህኑ ውፍረት ጋር መያያዝ አለባቸው።

የመከላከያ ጋዞች ዓይነቶች

የጋዞች መከላከያ ዋና ተግባር ኦክስጅንን በማግለል፣ የቀለጠውን ገንዳ ባህሪ በመቆጣጠር እና የኃይል ትስስርን ውጤታማነት በማሻሻል ላይ ነው። በኬሚካላዊ ባህሪያቸው ላይ በመመስረት፣ የመከላከያ ጋዞች ወደ ኢ-ኢ ... እንደ ናይትሮጅን (N₂) ያሉ ንቁ ጋዞች በተወሰኑ ሁኔታዎች ውስጥ ጠንካራ መፍትሄን በማጠናከር የብየዳ ጥንካሬን ሊያሳድጉ ይችላሉ፣ ነገር ግን ከመጠን በላይ መጠቀም የብሬክሽን ደረጃዎችን ቀዳዳ ወይም ዝናብ ሊያስከትል ይችላል። ለምሳሌ፣ ባለ ሁለትዮሽ አይዝጌ ብረት ሲገጣጠሙ፣ ወደ ቀለጠ ገንዳ ውስጥ የናይትሮጅን ስርጭት የፌራይት/ኦስቲናይት የደረጃ ሚዛንን ሊያስተጓጉል ይችላል፣ ይህም የዝገት መቋቋምን ይቀንሳል።

ምስል 1. የ304L አይዝጌ ብረት የሌዘር ብየዳ (ከላይ): Ar የጋዝ መከላከያ፤ (ከታች): N2 የጋዝ መከላከያ

ከሂደት ዘዴ አንፃር፣ የሂሊየም (24.6 eV) ከፍተኛ የአዮኒዜሽን ኃይል የፕላዝማ መከላከያ ውጤትን ሊገታ እና የሌዘር የኃይል መምጠጥን ሊያሻሽል ይችላል፣ በዚህም የመግባት ጥልቀት ይጨምራል። ይህ በእንዲህ እንዳለ፣ የአርጎን (15.8 eV) ዝቅተኛ የአዮኒዜሽን ኃይል የፕላዝማ ደመናዎችን ለማመንጨት የተጋለጠ ነው፣ ይህም ጣልቃ ገብነትን ለመቀነስ ትኩረትን መቀነስ ወይም የልብ ምት ሞዱሽን ይጠይቃል። በተጨማሪም፣ በአክቲቭ ጋዞች እና በቀለጠው ገንዳ መካከል ያለው ኬሚካላዊ ምላሽ (እንደ ናይትሮጅን በብረት ውስጥ ከ Cr ጋር ምላሽ መስጠት ያሉ) የዌልድ ስብስቡን ሊለውጥ ይችላል፣ እና በቁሳዊ ባህሪያት ላይ የተመሠረተ ጥንቃቄ የተሞላበት ምርጫ አስፈላጊ ነው።

የቁሳቁስ አተገባበር ምሳሌዎች፡

• ብረት፡ በቀጭን ሳህን (<3 ሚሜ) ብየዳ፣ አርጎን የገጽታውን አጨራረስ ማረጋገጥ ይችላል፣ ለ1.5 ሚሜ ዝቅተኛ የካርቦን ብረት ብየዳ ስፌት 0.5 μm ብቻ የኦክሳይድ ንብርብር ውፍረት አለው፤ ለወፍራም ሳህኖች (>10 ሚሜ)፣ የመግባት ጥልቀትን ለመጨመር ትንሽ መጠን ያለው ሂሊየም (He) መጨመር አለበት።

• አይዝጌ ብረት፡ የአርጎን መከላከያ የCr አባል መጥፋትን ይከላከላል፣ በ3 ሚሜ ውፍረት ባለው 304 አይዝጌ ብረት የብየዳ ስፌት ውስጥ 18.2% የCr ይዘት ከመሠረታዊው ብረት 18.5% ጋር ሲቃረብ፤ ለዱፕሌክስ አይዝጌ ብረት፣ ጥምርታውን ለማመጣጠን የAr-N₂ ድብልቅ (N₂ ≤ 5%) ያስፈልጋል። ጥናቶች እንደሚያሳዩት ለ8 ሚሜ ውፍረት ላለው 2205 ዱፕሌክስ አይዝጌ ብረት የAr-2% N₂ ድብልቅ ሲጠቀሙ፣ የፌራይት/ኦስቲኔት ጥምርታ በ48፡52 የተረጋጋ ሲሆን፣ ከንፁህ የአርጎን መከላከያ (720 MPa) የላቀ ነው።

• የአሉሚኒየም ቅይጥ፡ ቀጭን ሳህን (<3 ሚሜ)፡ የአሉሚኒየም ቅይጥ ከፍተኛ አንጸባራቂነት ዝቅተኛ የኃይል መምጠጥ ፍጥነትን ያስከትላል፣ እና ሂሊየም፣ ከፍተኛ የአዮኒዜሽን ኃይል (24.6 eV) ያለው፣ ፕላዝማውን ማረጋጋት ይችላል። ጥናቶች እንደሚያሳዩት 2 ሚሜ ውፍረት ያለው 6061 የአሉሚኒየም ቅይጥ በሂሊየም ሲጠበቅ፣ የመግባት ጥልቀት 1.8 ሚሜ ይደርሳል፣ ከአርጎን ጋር ሲነጻጸር በ25% ይጨምራል፣ እና የቀዳዳው መጠን ከ1% በታች ነው። ለጥልቅ ሳህኖች (>5 ሚሜ)፡ የአሉሚኒየም ቅይጥ ወፍራም ሳህኖች ከፍተኛ የኃይል ግብዓት ያስፈልጋቸዋል፣ እና የሂሊየም-አርጎን ድብልቅ (He:Ar = 3:1) የመግባት ጥልቀትን እና ወጪን ማመጣጠን ይችላል። ለምሳሌ፣ 8 ሚሜ ውፍረት ያላቸው 5083 ሳህኖችን ሲገጣጠሙ፣ የመግባት ጥልቀት በተደባለቀ የጋዝ መከላከያ ስር 6.2 ሚሜ ይደርሳል፣ ከንፁህ አርጎን ጋዝ ጋር ሲነጻጸር በ35% ይጨምራል፣ እና የመሸፈኛ ወጪው በ20% ይቀንሳል።

ማሳሰቢያ፡ የመጀመሪያው ጽሑፍ አንዳንድ ስህተቶችን እና አለመጣጣሞችን ይዟል። የተሰጠው ትርጉም የተመሰረተው በተስተካከለው እና ወጥ በሆነው የጽሑፉ ስሪት ላይ ነው።

የአርጎን ጋዝ ፍሰት መጠን ተጽዕኖ

የአርጎን ጋዝ ፍሰት መጠን በቀጥታ የቀለጠውን ገንዳ የጋዝ ሽፋን አቅም እና የፈሳሽ ተለዋዋጭነትን ይነካል። የፍሰት መጠኑ በቂ ካልሆነ የጋዝ ንብርብር አየሩን ሙሉ በሙሉ መለየት አይችልም፣ እና የቀለጠው የመዋኛ ገንዳ ጠርዝ ለኦክሳይድ እና ለጋዝ ቀዳዳዎች መፈጠር የተጋለጠ ነው፤ የፍሰት መጠኑ በጣም ከፍተኛ ሲሆን፣ የቀለጠውን የመዋኛ ገንዳ ወለል ሊያጥብ እና ወደ ብየዳ ድብርት ወይም ስፓተር ሊያመራ ይችላል። እንደ ሬይኖልድስ የፈሳሽ ሜካኒክስ ብዛት (Re = ρvD/μ)፣ የፍሰት መጠን መጨመር የጋዝ ፍሰት ፍጥነትን ይጨምራል። Re > 2300 ሲሆን፣ የላሚናር ፍሰት ወደ ማዕበል ፍሰት ይለወጣል፣ ይህም የቀለጠውን ገንዳ መረጋጋት ያጠፋል። ስለዚህ፣ የወሳኝ ፍሰት መጠን መወሰን በሙከራዎች ወይም በቁጥር ማስመሰያዎች (እንደ CFD) መተንተን አለበት።

ምስል 2. የተለያዩ የጋዝ ፍሰት መጠኖች በብየዳ ስፌት ላይ ያላቸው ተጽእኖ

የፍሰት ማመቻቸት ከቁስ የሙቀት አማቂነት እና ከሳህኑ ውፍረት ጋር በማጣመር ማስተካከል አለበት፡

• ለብረት እና ለአይዝጌ ብረት፡- ለቀጭን የብረት ሳህኖች (1-2 ሚሜ)፣ የፍሰት መጠኑ ከ10-15 ሊትር/ደቂቃ ቢሆን ይመረጣል። ለወፍራም ሳህኖች (ከ6 ሚሜ በላይ)፣ የጅራት ኦክሳይድን ለመግታት ወደ 18-22 ሊትር/ደቂቃ መጨመር አለበት። ለምሳሌ፣ የ6 ሚሜ ውፍረት ያለው 316 ሊትር አይዝጌ ብረት የፍሰት መጠን 20 ሊትር/ደቂቃ ሲሆን፣ የHAZ ጥንካሬ ወጥነት በ30% ይሻሻላል።

• ለአሉሚኒየም ቅይጥ፡ ከፍተኛ የሙቀት አማቂ ኃይል መከላከያ ጊዜን ለማራዘም ከፍተኛ የፍሰት መጠን ያስፈልጋል። ለ3 ሚሜ ውፍረት ላለው 7075 የአሉሚኒየም ቅይጥ፣ የፍሰት መጠኑ ከ25-30 ሊትር/ደቂቃ ሲሆን የቀዳዳው መጠን ዝቅተኛው (0.3%) ነው። ሆኖም ግን፣ እጅግ በጣም ወፍራም ለሆኑ ሳህኖች (>10 ሚሜ)፣ ሁከትን ለማስወገድ ከተዋሃዱ ነፋሶች ጋር መቀላቀል ያስፈልጋል።

የነፋስ ጋዝ ሁነታ ተጽእኖ

የሚነፍሰው የጋዝ ሁነታ የጋዝ ፍሰቱን አቅጣጫ እና ስርጭት በመቆጣጠር የቀለጠውን ገንዳ የፍሰት ንድፍ እና የጉድለት አፈና ውጤትን በቀጥታ ይነካል። የሚነፍሰው የጋዝ ሁነታ የቀለጠውን ገንዳ የገጽታ ውጥረት ቅልመት እና የማራንጎኒ ፍሰትን (ማራንጎኒ ፍሰትን) በመቀየር የቀለጠውን ገንዳ ፍሰት ይቆጣጠራል። በጎን በኩል የሚነፍስ ንፋሱ የቀለጠውን ገንዳ በተወሰነ አቅጣጫ እንዲፈስ ሊያደርግ ይችላል፣ ይህም ቀዳዳዎችን እና የጭቃ ማካተትን ይቀንሳል፤ የተቀናጀ ንፋሱ የኃይል ስርጭትን በብዙ አቅጣጫ ባለው የጋዝ ፍሰት በኩል በማመጣጠን የብየዳ ምስረታ ወጥነትን ሊያሻሽል ይችላል።

ዋናዎቹ የመተንፈስ ዘዴዎች የሚከተሉትን ያካትታሉ:

• ኮአክሲያል ንፋስ፡ የጋዝ ፍሰቱ ከሌዘር ጨረር ጋር በመተባበር የሚወጣ ሲሆን፣ የቀለጠውን ገንዳ በሲሜትሪ የሚሸፍን ሲሆን ለከፍተኛ ፍጥነት ብየዳ ተስማሚ ነው። ጥቅሙ ከፍተኛ የሂደት መረጋጋት ነው፣ ነገር ግን የጋዝ ፍሰቱ በሌዘር ትኩረት ላይ ጣልቃ ሊገባ ይችላል። ለምሳሌ፣ በአውቶሞቲቭ ጋላቬንታል ብረት ወረቀት (1.2 ሚሜ) ላይ ኮአክሲያል ንፋስ ሲጠቀሙ፣ የብየዳው ፍጥነት ወደ 40 ሚሜ/ሰ ሊጨምር ይችላል፣ እና የብየዳው መጠን ከ 0.1 በታች ነው።

• የጎን ንፋስ፡ የጋዝ ፍሰቱ ከቀለጠው ገንዳ ጎን በኩል ይስተዋላል፣ ይህም ለጥልቅ ዘልቆ ለመግባት ተስማሚ የሆነ የፕላዝማ ወይም የታችኛውን ቆሻሻ በአቅጣጫ ለማስወገድ ሊያገለግል ይችላል። ለምሳሌ፣ በ30° አንግል ላይ ባለ 12 ሚሜ ውፍረት ባለው Q345 ብረት ላይ ሲነፋ፣ የዌልድ ዘልቆ መግባት በ18% ይጨምራል፣ እና የታችኛው የፖሊሶሲስ መጠን ከ4% ወደ 0.8% ይቀንሳል።

• የተቀናጀ ንፋስ፡- ኮአክሲያል እና ጎን ለጎን መተንፈስን በማጣመር፣ በአንድ ጊዜ ኦክሳይድን እና የፕላዝማ ጣልቃ ገብነትን ሊገታ ይችላል። ለምሳሌ፣ ባለ ሁለት ኖዝል ዲዛይን ላለው 3 ሚሜ ውፍረት ላለው 6061 የአሉሚኒየም ቅይጥ፣ የቀዳዳው መጠን ከ2.5% ወደ 0.4% ይቀንሳል፣ እና የመሸከም ጥንካሬው ከመሠረቱ ቁሳቁስ 95% ይደርሳል።

የመከላከያ ጋዝ በብየዳ ጥራት ላይ የሚያሳድረው ተጽዕኖ በመሠረቱ የኃይል ዝውውርን በመቆጣጠር፣ የቀለጠው ገንዳ ቴርሞዳይናሚክስ እና የኬሚካል ግብረመልሶችን በመከተል ነው፡

1. የኃይል ዝውውር፡- የሂሊየም ከፍተኛ የሙቀት ማስተላለፊያ (thermal conductivity) የቀለጠውን ገንዳ ማቀዝቀዝን ያፋጥናል፣ ይህም በሙቀት የተጎዳውን ዞን (HAZ) ስፋት ይቀንሳል፤ የአርጎን ዝቅተኛ የሙቀት ማስተላለፊያ (thermal conductivity) የቀለጠውን ገንዳ የመኖር ጊዜን ያራዝመዋል፣ ይህም ቀጭን ሳህኖች ወለል እንዲፈጠሩ ጠቃሚ ነው።

2. የቀለጠ ገንዳ መረጋጋት፡ የጋዝ ፍሰቱ የቀለጠውን ገንዳ በሸረሪት ኃይል በኩል ፍሰት ላይ ተጽዕኖ ያሳድራል፣ እና ተገቢው የፍሰት መጠን ስፓትተርን ሊያደናቅፍ ይችላል፤ ከመጠን በላይ የፍሰት መጠን ሽክርክሪት ያስከትላል፣ ይህም የብየዳ ጉድለቶችን ያስከትላል።

3. የኬሚካል መከላከያ፡- የማይንቀሳቀሱ ጋዞች ኦክስጅንን ያመነጫሉ እና የአሉሚኒየም ንጥረ ነገሮችን (እንደ Cr፣ Al ያሉ) ኦክሳይድን ይከላከላሉ፤ ንቁ ጋዞች (እንደ N₂ ያሉ) በጠጣር መፍትሄ ማጠናከሪያ ወይም ውህድ በመፍጠር የብየዳ ባህሪያትን ይለውጣሉ፣ ነገር ግን ክምችቱ በትክክል ቁጥጥር ሊደረግበት ይገባል።