Ysz ve csz esaslı termal bariyer kaplamaların üretimi, karakterizasyonu ve termal çevrim performanslarının karşılaştırılması

Abstract

Gaz türbin motorlarında sıcak kesitlerde görev yapan türbin kanadı gibi parçalarda yaygın olarak kullanılan termal bariyer kaplamalar (TBK), termal yalıtım sağlayarak metal yüzey sıcaklığını azaltmakta ve bunun sonucunda da iş parçasının dayanımını ve motor verimliliğini artırmaktadır. Tipik bir TBK sistemi iki tabakadan oluşmaktadır. Süper alaşım altlık üzerinde sırasıyla oksidasyona dirençli MCrAlY (M:Ni/Co) esaslı bağ tabaka ve üzerine de termal yalıtım görevi yapan stabilize zirkonya esaslı bir seramik tabaka kaplanmaktadır. Yitriya (Y2O3) ile stabilize zirkonya (ZrO2) (YSZ), altlık ile uyumlu yüksek termal genleşme katsayısına sahip olması ve düşük termal iletkenliği nedeniyle genel olarak en çok tercih edilen yalıtım tabaka malzemesidir. TBK sistemleri arasında Serya (CeO2) ile stabilize zirkonya (CSZ) ise YSZ'ye göre daha yüksek termal genleşme katsayısına ve daha düşük termal iletkenlik katsayısına sahip olması nedeniyle YSZ'ye alternatif bir malzeme olarak düşünülmekte ve üzerinde kapsamlı araştırmalar sürdürülmektedir. Bu tez çalışmasında Taguchi ortogonal deneysel tasarım dizileri kullanarak stabilize zirkonya esaslı kaplamaların plazma sprey prosesi ile üretiminde (F4MB plazma sprey tabancası ile) plazma sprey proses parametrelerinin (Ar, H2, Sprey mesafesi, Akım) kaplamalarda birikme verimine, mikro sertliğe, yapışma dayanımına, yüzey pürüzlülüğüne ve porozite oranına etkisi araştırılmıştır. Ar ve H2 gaz akış hızları en önemli proses parametreleri olarak belirlenmiştir. Bu parametreler toz parçacıkların plazma jeti içerisinde uçuş davranışını belirleyerek parçacık sıcaklığı ve hızını etkilemektedir. Dolayısıyla da kaplamaların makroyapısını ve özelliklerini belirlemektedir.Yüksek sıcaklıklarda termal çevrim sonrasında kaplamalarda karşılaşılan hasar türleri genel olarak termal yükleme koşullarına ve TBK sistem karakteristiklerine (bağ ve üst tabaka kalınlıkları ile seramik tabakada porozite oranına) bağlı olarak değişmektedir. 1300 °C'nin üzerinde yüzey sıcaklıklarında seramik tabakada çatlak oluşumu ve kenar dökülmelerin başladığı gözlenmiştir. TBK sistemlerde bağ tabaka kalınlığı ve porozite oranı termal çevrim ömrünü ve kaplama dayanımında en önemli efektif faktörlerdir. Sonuç olarak CSZ kaplamaların termal çevrim performansının 1350 °C'de YSZ'ye göre daha yüksek olduğu belirlenmiştir.

Thermal barrier coatings (TBCs) are frequently used on the blades and vanes of gas turbines to provide thermal insulation, thus lowering the metal temperature and consequently improving component durability and increasing engine efficiency. A typical two-layer TBC system consists of an oxidation-resistant MCrAlY (M=Ni and/or Co) bond coat on the superalloy and a thermally insulating stabilized zirconia top coat applied to its surface. Yttria (%wt. 6-8 Y2O3) stabilized zirconia (YSZ) has been usually chosen for the top insulating coat material because of its high thermal expansion coefficient, which closely matches that of the substrate, and low thermal conductivity. Among the TBC systems, ceria (CeO2) stabilized zirconia (CSZ)-based TBCs have been intensively investigated for the YSZ replacement because CSZ has a much lower thermal conductivity and a higher thermal expansion coefficient than those of YSZ. In this thesis, the plasma spray process parameters (F4MB plasma spray gun: Ar, H2, Spray Distance, Current) both of stabilized zirconia coatings with respect to deposition efficiency, porosity, surface roughness and microhardness were investigated using an orthogonal array in design of experiments (Taguchi). Ar and H2 flow rates are the most important parameters in the process. These parameters influence the particle trajectory within the plasma jet and consequently the key parameters of particle temperature and velocity upon impact. Hence these factors decisively influence and determine the coating macrostructure and properties.The kind of failure after thermal cycling in such coatings depends on the thermal loading conditions and on the TBC system characteristics (thickness of bond coat and top coat, porosity of ceramic layer). With surface temperatures above 1300 °C, it is often observed that cracks develop in ceramic layer and spallation occured. Bond coat thickness and porosity of ceramic layer in TBC systems are the most effective factors for thermal cyling life time and durability. As a result, thermal cycling performance of the CSZ coatings higher than the YSZ based coatings at 1350 °C.