شبیه سازی رفتار شوک حرارتی و تنش پسماند در پوشش های سد حرارتی بر پایه زیرکونات ایتریا و گادولینیوم

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 پژوهشگاه استاندارد

2 دانشگاه مالک اشتر

3 دانشگاه علم و صنعت

4 علم و صنعت

چکیده

در این پژوهش یک روش عددی مبتنی بر المان محدود به منظور شبیه سازی توزیع تنش در پوشش سد حرارتی معمولی و درجه بندی شده NiCrAlY/YSZ(GZ) پاشش پلاسمائی شده بر روی زیرلایه اینکونل 738 توسعه یافت. معادلات انرژی و تنش- جابجایی در فضای دوبعدی به طور همزمان با استفاده از نرم افزار آباکوس حل شد. در بخش تجربی، پوشش سدحرارتی درجه بندی شده به روش پاشش پلاسمائی اعمال شد و رفتار نمونه در برابر شوک حرارتی مطالعه شد. با استفاده از روش نانوفرورونده میزان تنش پسماند اندازه‌گیری شد و با نتایج عددی مقایسه و صحت محاسبات با آن تایید شد. نتایج نشان داد که با افزایش دامنه فصل مشترک پوشش سد حرارتی، ماکزیمم تنش ابتدا کاهش یافته و سپس با افزایش بیشتر دامنه، افزایش می‌یابد. نتایج حاصل از بررسی تاثیر ضخامت پوشش سد حرارتی بر توزیع تنش نشان داد با افزایش ضخامت ماکزیمم تنش افزایش می‌یابد. مقایسه توزیع تنش در پوشش‌های YSZ و GZ نشان‌ داد کاربرد پوشش GZ تنش پسماند را افزایش می‌دهد.

کلیدواژه‌ها


1. J. G. Thakare., C. Pandey., M. M. Mahapatra and R. S. Mulik., Thermal Barrier Coatings—A State of the Art Review, Metals and Materials International. (2020) 1-22.
2. B. Goswami., A. K. Ray and S. K. Sahay., Thermal barrier coating system for gas turbine application - A review, High Temperature materials and processes. 23.2 (2004) 73-92
3. R. Vaßen., M. O. Jarligo., T. Steinke., D. E. Mack and D. Stöver. Overview on advanced thermal barrier coatings,Surface and Coatings Technology. 205.4 (2010) 938-942.
4. N. Nayebpashaee., S. H. Seyedein., M. R. Aboutalebi., H. Sarpoolaky and M. M. Hadavi., Modeling the effect of interface characteristics and layer compositional parameters on the residual stress distribution in FG-TBC system: FEM and FIS approach, Journal of Ceramic Processing Research. 17.8 (2016) 803-814.
5. G. Mehboob., M. J. Liu. T., Xu. S. Hussain., G. Mehboob and A. Tahir. A review on failure mechanism of thermal barrier coatings and strategies to extend their lifetime, Ceramics International. 46.7 (2020) 8497-8521.
6. B. Liu., Y. Liu., C. Zhu., H. Xiang., H. Chen., L. Sun., Y. Gao and Y. Zhou. Advances on strategies for searching for next generation thermal barrier coating materials, Journal of Materials Science & Technology 35.5 (2019) 833-851.
7. N. Nayebpashaee, S. H. Seyedein, M. R. Aboutalebi, H. Sarpoolaky, and M. M. Hadavi. Simulation of the Effect of Sub-Micron Interface Roughness on the Stress Distribution in Functionally Graded Thermal Barrier Coatings, Advanced Ceramics Progress 1.1 (2015) 40-47.
8. S. Chen., X. Zhou., W. Song., J. Sun., H. Zhang., J. Jiang., L. Deng., S. Dong and X. Cao. Mg2SiO4 as a novel thermal barrier coating material for gas turbine applications, Journal of the European Ceramic Society 39.7 (2019) 2397-2408.
9. N. Nayebpashaee., H. Vafaeenezhad., S. M. M. Hadavi. S. H. Seyedein. M. R. Aboutalebi and H. Sarpoolaky. A Study on the Numerical Simulation of Thermo-Mechanical Behavior of the Novel Functionally Graded Thermal Barrier Coating under Thermal Shock, ADMT Journal. 8.2 (2015) 29-36.
10. N. Nayebpashaee., S. H. Seyedein., M. R. Aboutalebi., H. Sarpoolaky and S. M. M. Hadavi. Finite element simulation of residual stress and failure mechanism in plasma sprayed thermal barrier coatings using actual microstructure as the representative volume, Surface and Coatings Technology. 291 (2016) 103-114.
11. K. A. Khor, Z. L. Dong and Y. W. Gu. Plasma sprayed functionally graded thermal barrier coatings, Materials letters. 38.6 (1999) 437-444.
12. A. C. Karaoglanli., E. Altuncu., I. Ozdemir., A. Turk and F. Ustel. Structure and durability evaluation of YSZ+Al2O3 composite TBCs with APS and HVOF bond coats under thermal cycling conditions, Surface and Coatings Technology 205 (2011) S369-S373.
13. S. M. Yunus., A. D. Johari and S. Husin. Comparison on thermal resistance performance of YSZ and rare-earth GZ multilayer thermal barrier coating at 1250°C Gas turbine combustor liner, Journal of Advanced Research in Fluid Mechanics and Thermal Sciences. 52.2 (2018) 123-128.
14. S. Mahade., N. Curry., S. Björklund., N. Markocsan and S. Joshi. Durability of gadolinium zirconate/YSZ double-layered thermal barrier coatings under different thermal cyclic test conditions, Materials. 12.14 (2019) 2238.
15. K. M. Doleker., Y. Ozgurluk., H. Ahlatci and A. C. Karaoglanli. Evaluation of oxidation and thermal cyclic behavior of YSZ, Gd2Zr2O7 and YSZ/Gd2Zr2O7 TBCs,  Surface and Coatings Technology 371 (2019) 262-275.
16. J. Ilavsky and J. K. Stalick. Phase composition and its changes during annealing of plasma-sprayed YSZ, Surface and Coatings Technology 127.2-3 (2000) 120-129.
17. J. Ilavsky. J. Wallace and J. K. Stalick. Thermal-Spray Yttria-Stabilized Zirconia Phase Changes during Annealing, Journal of thermal spray technology 10.3 (2001) 497-501.
18. M. Bahamirian and S. Khameneh Asl. An investigation on effect of bond coat replacement on hot corrosion properties of thermal barrier coatings, Iranian Journal of Materials Science and Engineering 10.3 (2013) 12-21.
19. X. Zhong. Z. Huayu. L. Chenguang. W. Liang. Sh. Fang. Z. Xiaming. T. Shunyan and D. Chuanxian. Improvement in thermal shock resistance of gadolinium zirconate coating by addition of nanostructured yttria partially-stabilized zirconia, Ceramics International 41.6 (2015): 7318-7324.
20. D. R. Clarke and S. R. Phillpot. Thermal barrier coating materials, Materials today. 8.6 (2005) 22-29.
21. K. Kokini. J. DeJonge. S. Rangaraj and B. Beardsley. Thermal shock of functionally graded thermal barrier coatings with similar thermal resistance,Surface and Coatings Technology. 154.2-3 (2002) 223-231.
22. P. Zhang. Y. Feng. Y. Li. W. Pan.  P.A. Zong. M. Huang. Y. Han. Z. Yang. H. Chen. Q. Gong and C. Wan. Thermal and mechanical properties of ferroelastic RENbO4 (RE = Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb) for thermal barrier coatings, Scripta Materialia. 180 (2020) 51-56.
23. F. Yang and J. C. M. Li. Micro and nano mechanical testing of materials and devices, Springer Science (2008) 1–387.
24. L. N. Zhu. B. S. Xu. H. D. Wang and C. B. Wang. Measurement of residual stresses using nanoindentation method, Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences 40.2 (2015) 77-89.
25. X. Zhao and P. Xiao. Residual stresses in thermal barrier coatings measured by photoluminescence piezospectroscopy and indentation technique, Surface and Coatings Technology 201.3-4 (2006) 1124-1131.
26. W. G. Mao. J. Wan. C. Y. Dai. J. Ding. Y. Zhang. Y. C. Zhou and L.Chunsheng. Evaluation of microhardness, fracture toughness and residual stress in a thermal barrier coating system: A modified Vickers indentation technique, Surface and Coatings Technology 206.21 (2012) 4455-4461.
27. Z. G. Liu. J. H. Ouyang and Y. Zhou. Heat capacities and derived thermodynamic functions of neodymium–gadolinium zirconates from 298.15 to 1050K, Journal of alloys and compounds 475.1-2 (2009) 21-24.
28. M. Ranjbar-Far. J. Absi and G. Mariaux. Finite element modeling of the different failure mechanisms of a plasma sprayed thermal barrier coatings system, Journal of thermal spray technology 21.6 (2012) 1234-1244.
29. M. Ranjbar-Far. J. Absi. S. Shahidi and G. Mariaux. Impact of the non-homogenous temperature distribution and the coatings process modeling on the thermal barrier coatings system, Materials & Design 32.2 (2011) 728-735.
30. S. Mahade, N.Curry, S. Björklund, N. Markocsan, and S.Joshi. Durability of gadolinium zirconate/YSZ double-layered thermal barrier coatings under different thermal cyclic test conditions, Materials, (2019) 12(14), 2238.