Termal bariyer kaplamalarda kullanılan stronsiyum-zirkonat tozunun üretimi, plazma sprey tekniği ile kaplanması ve karakterizasyonu

Abstract

Mevcut çalışmada 1300°C üzerindeki çalışma sıcaklıklarında termal bariyer kaplama malzemesi olan YSZ'ye alternatif olarak kullanılan ve uygulama alanı bulan SrZrO3 kaplama tozunun ve kaplamaların üretimi amaçlanmıştır. TBK sistemleri arasında SrZrO3 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. SrZrO3 tozu üretimi için Sr/Zr atomik oranı 1.136 mol oranındaki toz karışımı saf su ile karıştırılarak bilyalı değirmende 2 saat homojen bir şekilde karıştırılmış ve sonra etüvde 100°C'de 24 saat kurutulmuştur. SrZrO3 kaplama tozuna yeterli akıcılık kazandırmak amacı ile; etüvde kurutulan tozlar 5 gr'lık numuneler halinde 2.5 cm'lik paslanmaz çelik kalıp kullanılarak 2 ton yük altında preslenmiştir. 1250°C 24 saat ve 1350°C 24 saat sinterlenen ve öğütülüp elenen tozların yeterli akıcılıkta olmaması nedeni ile aynı oranlarda tartılıp hazırlanan SrZrO3 toz bileşimi 1600°C'de 4 saat süre ile hava atmosferinde katı hal sinterleme tekniği ile sinterlenmiştir. Sinterlenen tabletler halindeki SrZrO3 numuneler havanda öğütüldükten sonra eleme işlemine tabi tutulmuş ve 45-125 µm toz boyut aralığındaki tozlar kaplama tozu olarak ayrılmıştır. Kaplama tozunun ayrıca partikül boyut dağılımı, akış hızı belirlenmiştir. Üretilen SrZrO3 kaplama tozunun plazma sprey yöntemiyle kaplanabilirliği (F4MB plazma sprey tabancası ile) araştırılmıştır. Paslanmaz çelik üzerine yapılan plazma sprey kaplamanın mikro görüntüsü ve sertlik değeri alınmıştır. Üretilen kaplama tozunun ve kaplamanın SEM-EDS ile mikroyapı analizileri, XRD ile faz analizi, termal şok ve yoğunluk testleri gerçekleştirilmiştir. Anahtar kelimeler: SrZrO3, Plazma Sprey Kaplama, Termal şok

The objective of the present work is to produce strontium zirconate (SrZrO3) coating powder and coatings which are used for application as materials for thermal barrier coatings (TBC) at operating temperatures >1300°C. In this study, strontium zirconate was coated by atmospheric plasma spraying technique on stainless steel (SS304) substrates. Strontium zirconate is produced by solid phase synthesis from zirconium dioxide and strontium carbonate. Starting powders were a high grade ZrO2, and commercial SrCO3 (Aldrich,>98%, Munich, Germany). Powders calcined at 1250°C and 1350°C for 24 h, 1600°C for 4 h and 6 h with a heating rate of 5 K/min. The powders were calibrated the correct particle size for plasma spraying. Atmospheric plasma spraying (APS) technique is generally used for depositing ceramic materials due to the high enthalpy and temperature available in the plasma jet. Depending on the process parameters, the temperature at the core of plasma jet can be as high as 10.000–15.000 K and any metal or ceramic powder injected into the plasma jet can be melted and spray coated. The injected spray grade powder particles are rapidly melted, accelerated and propelled at high velocity to the substrate surface. By virtue of its low thermal conductivity, high melting point SrZrO3 ceramic has potential applications for thermal barrier coatings (TBC). The resulting powders and coatings were characterized using SEM-EDS and XRD techniques. It was also measured on the physical properties such as density, velocity and particle size distribution of the coating powder. Keywords: SrZrO3, Atmospheric plasma spraying, Thermal cycling