ឥទ្ធិពលនៃប៉ារ៉ាម៉ែត្រឧស្ម័នការពារលើដំណើរការផ្សារឡាស៊ែរ

បច្ចេកវិទ្យាផ្សារដែកឡាស៊ែរដោយសារតែដង់ស៊ីតេថាមពលខ្ពស់ ការបញ្ចូលកំដៅទាប និងលក្ខណៈមិនប៉ះ បានក្លាយជាដំណើរការស្នូលមួយក្នុងការផលិតភាពជាក់លាក់ទំនើប។ ទោះជាយ៉ាងណាក៏ដោយ បញ្ហាដូចជាអុកស៊ីតកម្ម ភាពរលុង និងការឆេះនៃធាតុដែលបណ្តាលមកពីការប៉ះនៃអាងរលាយជាមួយបរិយាកាសកំឡុងពេលផ្សារដែក រឹតត្បិតយ៉ាងខ្លាំងដល់លក្ខណៈសម្បត្តិមេកានិច និងអាយុកាលសេវាកម្មនៃថ្នេរផ្សារ។ ក្នុងនាមជាឧបករណ៍ផ្ទុកស្នូលសម្រាប់គ្រប់គ្រងបរិស្ថានផ្សារដែក ការជ្រើសរើសប្រភេទ អត្រាលំហូរ និងរបៀបផ្លុំនៃឧស្ម័នការពារត្រូវតែភ្ជាប់ជាមួយលក្ខណៈសម្ភារៈ (ដូចជាសកម្មភាពគីមី ចរន្តកំដៅ) និងកម្រាស់នៃបន្ទះ។

ប្រភេទនៃឧស្ម័នការពារ

មុខងារស្នូលនៃឧស្ម័នការពារស្ថិតនៅក្នុងការញែកអុកស៊ីសែន ការគ្រប់គ្រងឥរិយាបថរបស់អាងរលាយ និងការបង្កើនប្រសិទ្ធភាពនៃការភ្ជាប់ថាមពល។ ដោយផ្អែកលើលក្ខណៈសម្បត្តិគីមីរបស់វា ឧស្ម័នការពារអាចត្រូវបានចាត់ថ្នាក់ទៅជាឧស្ម័នអសកម្ម (អារហ្គន អេលីយ៉ូម) និងឧស្ម័នសកម្ម (អាសូត កាបូនឌីអុកស៊ីត)។ ឧស្ម័នអសកម្មមានស្ថេរភាពគីមីខ្ពស់ និងអាចការពារការកត់សុីនៃអាងរលាយបានយ៉ាងមានប្រសិទ្ធភាព ប៉ុន្តែភាពខុសគ្នាគួរឱ្យកត់សម្គាល់របស់វានៅក្នុងលក្ខណៈសម្បត្តិរូបវន្តកម្ដៅប៉ះពាល់យ៉ាងខ្លាំងដល់ប្រសិទ្ធភាពផ្សារ។ ឧទាហរណ៍ អារហ្គន (Ar) មានដង់ស៊ីតេខ្ពស់ (1.784 kg/m³) ហើយអាចបង្កើតជាថ្នាំកូតដែលមានស្ថេរភាព ប៉ុន្តែចរន្តកម្ដៅទាបរបស់វា (0.0177 W/m·K) នាំឱ្យអាងរលាយត្រជាក់យឺត និងការជ្រាបចូលផ្សាររាក់។ ផ្ទុយទៅវិញ អេលីយ៉ូម (He) មានចរន្តកម្ដៅខ្ពស់ជាងអារហ្គនប្រាំបីដង (0.1513 W/m·K) ហើយអាចបង្កើនល្បឿនត្រជាក់នៃអាងរលាយ និងបង្កើនការជ្រាបចូលផ្សារ ប៉ុន្តែដង់ស៊ីតេទាបរបស់វា (0.1785 kg/m³) ធ្វើឱ្យវាងាយនឹងលេចធ្លាយ ដែលតម្រូវឱ្យមានអត្រាលំហូរខ្ពស់ជាងដើម្បីរក្សាប្រសិទ្ធភាពការពារ។ ឧស្ម័នសកម្មដូចជាអាសូត (N₂) អាចបង្កើនកម្លាំងផ្សារតាមរយៈការពង្រឹងដំណោះស្រាយរឹងនៅក្នុងសេណារីយ៉ូជាក់លាក់ ប៉ុន្តែការប្រើប្រាស់ហួសប្រមាណអាចបណ្តាលឱ្យមានរន្ធញើស ឬការធ្លាក់ភ្លៀងនៃដំណាក់កាលផុយស្រួយ។ ឧទាហរណ៍ នៅពេលផ្សារដែកអ៊ីណុកពីរជាន់ ការសាយភាយអាសូតចូលទៅក្នុងអាងរលាយអាចរំខានដល់តុល្យភាពដំណាក់កាល ferrite/austenite ដែលបណ្តាលឱ្យមានការថយចុះនៃភាពធន់នឹងការច្រេះ។

រូបភាពទី 1. ការផ្សារដែកអ៊ីណុក 304L ដោយឡាស៊ែរ (ខាងលើ): ការការពារឧស្ម័ន Ar; (ខាងក្រោម): ការការពារឧស្ម័ន N2

ពីទស្សនៈនៃយន្តការដំណើរការ ថាមពលអ៊ីយ៉ូដខ្ពស់នៃអេលីយ៉ូម (24.6 eV) អាចទប់ស្កាត់ប្រសិទ្ធភាពការពារប្លាស្មា និងបង្កើនការស្រូបយកថាមពលឡាស៊ែរ ដោយហេតុនេះបង្កើនជម្រៅជ្រៀតចូល។ ទន្ទឹមនឹងនេះ ថាមពលអ៊ីយ៉ូដទាបនៃអារហ្គុន (15.8 eV) ងាយនឹងបង្កើតពពកប្លាស្មា ដែលតម្រូវឱ្យមានការបង្វែរការផ្តោតអារម្មណ៍ ឬការកែប្រែជីពចរដើម្បីកាត់បន្ថយការជ្រៀតជ្រែក។ លើសពីនេះ ប្រតិកម្មគីមីរវាងឧស្ម័នសកម្ម និងអាងរលាយ (ដូចជាអាសូតដែលមានប្រតិកម្មជាមួយ Cr ក្នុងដែកថែប) អាចផ្លាស់ប្តូរសមាសធាតុផ្សារ ហើយការជ្រើសរើសដោយប្រុងប្រយ័ត្នដោយផ្អែកលើលក្ខណៈសម្បត្តិសម្ភារៈគឺចាំបាច់។

ឧទាហរណ៍នៃការអនុវត្តសម្ភារៈ៖

• ដែកថែប៖ នៅក្នុងការផ្សារដែកបន្ទះស្តើង (<3 mm) អារហ្គុនអាចធានាបាននូវផ្ទៃរលោង ជាមួយនឹងកម្រាស់ស្រទាប់អុកស៊ីដត្រឹមតែ 0.5 μm សម្រាប់ថ្នេរផ្សារដែកកាបូនទាប 1.5 mm; សម្រាប់បន្ទះក្រាស់ (>10 mm) ត្រូវបន្ថែមអេលីយ៉ូម (He) បន្តិចបន្តួចដើម្បីបង្កើនជម្រៅជ្រៀតចូល។

• ដែកអ៊ីណុក៖ ការការពារអារហ្គុនអាចការពារការបាត់បង់ធាតុ Cr ដោយមានមាតិកា Cr 18.2% នៅក្នុងថ្នេរផ្សារដែកអ៊ីណុក 304 កម្រាស់ 3 ម.ម ខិតជិត 18.5% នៃលោហៈមូលដ្ឋាន។ សម្រាប់ដែកអ៊ីណុកពីរជាន់ ល្បាយ Ar-N₂ (N₂ ≤ 5%) គឺត្រូវការដើម្បីធ្វើឱ្យសមាមាត្រមានតុល្យភាព។ ការសិក្សាបានបង្ហាញថា នៅពេលប្រើល្បាយ Ar-2% N₂ សម្រាប់ដែកអ៊ីណុកពីរជាន់ 2205 កម្រាស់ 8 ម.ម សមាមាត្រ ferrite/austenite មានស្ថេរភាពនៅ 48:52 ជាមួយនឹងកម្លាំង tensile 780 MPa ដែលល្អជាងការការពារអារហ្គុនសុទ្ធ (720 MPa)។

• យ៉ាន់ស្ព័រអាលុយមីញ៉ូម៖ បន្ទះស្តើង (<3 mm)៖ ការឆ្លុះបញ្ចាំងខ្ពស់នៃយ៉ាន់ស្ព័រអាលុយមីញ៉ូមនាំឱ្យមានអត្រាស្រូបយកថាមពលទាប ហើយអេលីយ៉ូម ជាមួយនឹងថាមពលអ៊ីយ៉ូដខ្ពស់របស់វា (24.6 eV) អាចធ្វើឱ្យប្លាស្មាមានស្ថេរភាព។ ការស្រាវជ្រាវបង្ហាញថា នៅពេលដែលយ៉ាន់ស្ព័រអាលុយមីញ៉ូម 6061 កម្រាស់ 2 mm ត្រូវបានការពារដោយអេលីយ៉ូម ជម្រៅជ្រៀតចូលដល់ 1.8 mm កើនឡើង 25% បើប្រៀបធៀបទៅនឹងអារហ្គុន ហើយអត្រា porosity គឺទាបជាង 1%។ សម្រាប់បន្ទះក្រាស់ (>5 mm)៖ បន្ទះក្រាស់យ៉ាន់ស្ព័រអាលុយមីញ៉ូមត្រូវការបញ្ចូលថាមពលខ្ពស់ ហើយល្បាយអេលីយ៉ូម-អារហ្គុន (He:Ar = 3:1) អាចធ្វើឱ្យមានតុល្យភាពទាំងជម្រៅជ្រៀតចូល និងថ្លៃដើម។ ឧទាហរណ៍ នៅពេលផ្សារបន្ទះ 5083 កម្រាស់ 8 mm ជម្រៅជ្រៀតចូលដល់ 6.2 mm ក្រោមការការពារឧស្ម័នចម្រុះ កើនឡើង 35% បើប្រៀបធៀបទៅនឹងឧស្ម័នអារហ្គុនសុទ្ធ ហើយថ្លៃដើមផ្សារត្រូវបានកាត់បន្ថយ 20%។

ចំណាំ៖ អត្ថបទដើមមានកំហុស និងភាពមិនស៊ីសង្វាក់គ្នាមួយចំនួន។ ការបកប្រែដែលបានផ្តល់គឺផ្អែកលើកំណែដែលបានកែតម្រូវ និងស៊ីសង្វាក់គ្នានៃអត្ថបទ។

ឥទ្ធិពលនៃអត្រាលំហូរឧស្ម័នអារហ្គុន

អត្រាលំហូរឧស្ម័នអារហ្គនប៉ះពាល់ដោយផ្ទាល់ទៅលើសមត្ថភាពគ្របដណ្តប់ឧស្ម័ន និងឌីណាមិកសារធាតុរាវនៃអាងរលាយ។ នៅពេលដែលអត្រាលំហូរមិនគ្រប់គ្រាន់ ស្រទាប់ឧស្ម័នមិនអាចញែកខ្យល់ចេញបានទាំងស្រុងទេ ហើយគែមអាងរលាយងាយនឹងអុកស៊ីតកម្ម និងការបង្កើតរន្ធឧស្ម័ន។ នៅពេលដែលអត្រាលំហូរខ្ពស់ពេក វាអាចបណ្តាលឱ្យមានភាពច្របូកច្របល់ ដែលអាចលាងសម្អាតផ្ទៃអាងរលាយ និងនាំឱ្យមានការដួលរលំនៃការផ្សារ ឬប្រឡាក់។ យោងតាមលេខ Reynolds នៃមេកានិចសារធាតុរាវ (Re = ρvD/μ) ការកើនឡើងនៃអត្រាលំហូរនឹងបង្កើនល្បឿនលំហូរឧស្ម័ន។ នៅពេលដែល Re > 2300 លំហូរឡាមីណាប្រែទៅជាលំហូរច្របូកច្របល់ ដែលនឹងបំផ្លាញស្ថេរភាពនៃអាងរលាយ។ ដូច្នេះ ការកំណត់អត្រាលំហូរសំខាន់ត្រូវការវិភាគតាមរយៈការពិសោធន៍ ឬការក្លែងធ្វើជាលេខ (ដូចជា CFD)។

រូបភាពទី 2. ផលប៉ះពាល់នៃអត្រាលំហូរឧស្ម័នផ្សេងៗគ្នាលើថ្នេរផ្សារ

ការបង្កើនប្រសិទ្ធភាពលំហូរគួរតែត្រូវបានកែតម្រូវរួមផ្សំជាមួយនឹងចរន្តកំដៅនៃសម្ភារៈ និងកម្រាស់បន្ទះ៖

• សម្រាប់ដែកថែប និងដែកអ៊ីណុក៖ សម្រាប់បន្ទះដែកថែបស្តើង (1-2 ម.ម) អត្រាលំហូរល្អបំផុតគឺ 10-15 លីត្រ/នាទី។ សម្រាប់បន្ទះក្រាស់ (>6 ម.ម) វាគួរតែត្រូវបានបង្កើនដល់ 18-22 លីត្រ/នាទី ដើម្បីទប់ស្កាត់អុកស៊ីតកម្មកន្ទុយ។ ឧទាហរណ៍ នៅពេលដែលអត្រាលំហូរនៃដែកអ៊ីណុក 316L កម្រាស់ 6 ម.ម គឺ 20 លីត្រ/នាទី ឯកសណ្ឋាននៃភាពរឹងរបស់ HAZ ត្រូវបានធ្វើឱ្យប្រសើរឡើង 30%។

• សម្រាប់យ៉ាន់ស្ព័រអាលុយមីញ៉ូម៖ ចរន្តកំដៅខ្ពស់តម្រូវឱ្យមានអត្រាលំហូរខ្ពស់ដើម្បីពន្យារពេលវេលាការពារ។ សម្រាប់យ៉ាន់ស្ព័រអាលុយមីញ៉ូម 7075 កម្រាស់ 3 ម.ម អត្រា porosity គឺទាបបំផុត (0.3%) នៅពេលដែលអត្រាលំហូរគឺ 25-30 លីត្រ/នាទី។ ទោះជាយ៉ាងណាក៏ដោយ សម្រាប់ចានក្រាស់ខ្លាំង (>10 ម.ម) វាចាំបាច់ក្នុងការផ្សំជាមួយនឹងការផ្លុំសមាសធាតុដើម្បីជៀសវាងភាពច្របូកច្របល់។

ឥទ្ធិពលនៃរបៀបឧស្ម័នផ្លុំ

របៀបឧស្ម័នផ្លុំប៉ះពាល់ដោយផ្ទាល់ទៅលើគំរូលំហូរនៃអាងរលាយ និងប្រសិទ្ធភាពទប់ស្កាត់ពិការភាពដោយការគ្រប់គ្រងទិសដៅ និងការចែកចាយនៃលំហូរឧស្ម័ន។ របៀបឧស្ម័នផ្លុំគ្រប់គ្រងលំហូរនៃអាងរលាយដោយការផ្លាស់ប្តូរជម្រាលភាពតានតឹងផ្ទៃ និងលំហូរ Marangoni (លំហូរ Marangoni)។ ការផ្លុំចំហៀងអាចធ្វើឱ្យអាងរលាយហូរក្នុងទិសដៅជាក់លាក់មួយ ដោយកាត់បន្ថយរន្ធញើស និងការរួមបញ្ចូលសារធាតុស្អិត។ ការផ្លុំសមាសធាតុអាចធ្វើអោយប្រសើរឡើងនូវឯកសណ្ឋាននៃការបង្កើតផ្សារដោយធ្វើឱ្យមានតុល្យភាពនៃការចែកចាយថាមពលតាមរយៈលំហូរឧស្ម័នពហុទិសដៅ។

វិធីសាស្រ្តសំខាន់ៗនៃការផ្លុំរួមមាន៖

• ការផ្លុំខ្យល់​ដោយ​ប្រើ​អ័ក្ស​គូស្វាម៉ីភរិយា៖ លំហូរឧស្ម័នត្រូវបានបញ្ចេញ​ដោយ​ប្រើ​អ័ក្ស​គូស្វាម៉ីភរិយា​ជាមួយ​នឹង​ធ្នឹមឡាស៊ែរ ដោយគ្របដណ្តប់លើអាងរលាយ​ដោយ​ស៊ីមេទ្រី ដែលស័ក្តិសមសម្រាប់ការផ្សារដែកល្បឿនលឿន។ គុណសម្បត្តិរបស់វាគឺស្ថេរភាពដំណើរការខ្ពស់ ប៉ុន្តែលំហូរឧស្ម័នអាចរំខានដល់ការផ្តោតឡាស៊ែរ។ ឧទាហរណ៍ នៅពេលប្រើការផ្លុំខ្យល់​ដោយ​ប្រើ​អ័ក្ស​គូស្វាម៉ីភរិយា​លើសន្លឹកដែកស័ង្កសី​សម្រាប់រថយន្ត (1.2 ម.ម) ល្បឿនផ្សារអាចត្រូវបានបង្កើនដល់ 40 ម.ម/វិនាទី ហើយអត្រាប្រឡាក់គឺតិចជាង 0.1។

• ការផ្លុំចំហៀង៖ លំហូរឧស្ម័នត្រូវបានបញ្ចូលពីចំហៀងនៃអាងរលាយ ដែលអាចត្រូវបានប្រើដើម្បីយកប្លាស្មា ឬភាពមិនបរិសុទ្ធនៅបាតចេញតាមទិសដៅ ដែលសមស្របសម្រាប់ការផ្សារដែកដែលជ្រាបចូលជ្រៅ។ ឧទាហរណ៍ នៅពេលផ្លុំលើដែក Q345 កម្រាស់ 12 ម.ម ក្នុងមុំ 30° ការជ្រាបចូលនៃការផ្សារកើនឡើង 18% ហើយអត្រា porosity នៅបាតថយចុះពី 4% មក 0.8%។

• ការផ្លុំសមាសធាតុ៖ ការរួមបញ្ចូលគ្នារវាងការផ្លុំអ័ក្សអាកាស និងការផ្លុំចំហៀង វាអាចទប់ស្កាត់ការជ្រៀតជ្រែកអុកស៊ីតកម្ម និងការជ្រៀតជ្រែកប្លាស្មាក្នុងពេលដំណាលគ្នា។ ឧទាហរណ៍ សម្រាប់យ៉ាន់ស្ព័រអាលុយមីញ៉ូម 6061 កម្រាស់ 3 ម.ម ជាមួយនឹងការរចនាក្បាលបាញ់ពីរ អត្រា porosity ត្រូវបានកាត់បន្ថយពី 2.5% មកត្រឹម 0.4% ហើយកម្លាំង tensile ឈានដល់ 95% នៃសម្ភារៈមូលដ្ឋាន។

ឥទ្ធិពលនៃឧស្ម័នការពារលើគុណភាពផ្សារដែក ជាមូលដ្ឋានកើតចេញពីបទប្បញ្ញត្តិរបស់វាអំពីការផ្ទេរថាមពល ទែរម៉ូឌីណាមិកនៃអាងរលាយ និងប្រតិកម្មគីមី៖

១. ការផ្ទេរថាមពល៖ ចរន្តកំដៅខ្ពស់របស់អេលីយ៉ូមបង្កើនល្បឿននៃការត្រជាក់នៃអាងរលាយ ដោយកាត់បន្ថយទទឹងនៃតំបន់ដែលរងផលប៉ះពាល់ដោយកំដៅ (HAZ)។ ចរន្តកំដៅទាបរបស់អារហ្គុនពន្យារពេលវេលានៃអាងរលាយ ដែលមានប្រយោជន៍សម្រាប់ការបង្កើតផ្ទៃនៃបន្ទះស្តើងៗ។

2. ស្ថេរភាពនៃអាងរលាយ៖ លំហូរឧស្ម័នប៉ះពាល់ដល់លំហូរនៃអាងរលាយតាមរយៈកម្លាំងកាត់ ហើយអត្រាលំហូរសមស្របអាចទប់ស្កាត់ការប្រឡាក់។ អត្រាលំហូរលើសនឹងបណ្តាលឱ្យមានខ្យល់វិល ដែលនាំឱ្យមានពិការភាពនៃការផ្សារ។

៣. ការការពារគីមី៖ ឧស្ម័នអសកម្មញែកអុកស៊ីសែន និងការពារការកត់សុីនៃធាតុយ៉ាន់ស្ព័រ (ដូចជា Cr, Al)។ ឧស្ម័នសកម្ម (ដូចជា N₂) ផ្លាស់ប្តូរលក្ខណៈសម្បត្តិផ្សារតាមរយៈការពង្រឹងដំណោះស្រាយរឹង ឬការបង្កើតសមាសធាតុ ប៉ុន្តែកំហាប់ត្រូវការគ្រប់គ្រងយ៉ាងច្បាស់លាស់។