بهبود رفتار دما بالای پوشش های سد حرارتی زیرکونیایی مرسوم به کمک پایدار کننده ی اکسید سریم

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی متالورژی و مواد، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهرکرد

2 پژوهشکده ی سرامیک، پژوهشگاه مواد و انرژی

3 مرکز آموزشی تحقیقاتی مواد فلزی، دانشگاه صنعتی مالک اشتر تهران

چکیده

پوشش­های سد حرارتی به­عنوان یکی از پوشش­های دما بالا، به­طور گسترده­ای به­منظور بهبود عملکرد پره­ی موتورهای توربینی و به­ویژه توربین­های گازی مورد استفاده قرار می­گیرند. هدف از این پژوهش بررسی خواص ترمومکانیکی، مقاومت به خوردگی داغ و اکسیداسیون دما بالای پوشش­های سد حرارتی زیرکونیایی مرسوم و بهبود عملکرد آن­ها با استفاده از افزودن پایدار کننده­ی سریا به ترکیب است. برای این­منظور، پوشش­های CoNiCrAlY/YSZ و CoNiCrAlY/CYSZ بر روی زیرلایه­هایی از جنس IN738LC توسط روش پاشش پلاسمای اتمسفری اعمال شدند. رفتار ترمومکانیکی پوشش­ها توسط اندازه­گیری انبساط حرارتی آن­ها مورد بررسی قرار گرفت. رفتار خوردگی داغ و اکسیداسیون پوشش­ها به روش کوره­ای، در دماهای °C 1050 و °C 1100 با سیکل­های 4 ساعته، با و بدون اعمال مخلوط نمک خورنده­ی Na2SO4-V2O5 مورد بررسی قرار گرفت. نتایج به­دست آمده نشان داد که پوشش CYSZ دارای ضریب انبساط حرارتی بالاتری نسبت به پوشش YSZ است. همچنین بررسی­های ریزساختاری و فازی پوشش­ها به­وسیله­ی آنالیزهای SEM/EDS و XRD قبل و بعد از آزمون­های خوردگی داغ و اکسیداسیون نشان دهنده­ی مقاومت بهتر پوشش CYSZ در مقایسه با پوشش YSZ است.

کلیدواژه‌ها


1. R. Rajendran, Gas turbine coatings–An overview, Engineering Failure Analysis, 26(2012) 355-369.

2. H. Xu and H. Guo, Thermal barrier coatings: Elsevier, (2011).

3. S. Bose, High temperature coatings: Butterworth-Heinemann, (2011).

4. R. Vaßen, M. O. Jarligo, T. Steinke, D. E. Mack, and D. Stöver, Overview on advanced thermal barrier coatings, Surface and Coatings Technology, 205(2010) 938-942.

5. T. Beck, R. Herzog, O. Trunova, M. Offermann, R. W. Steinbrech, and L. Singheiser, Damage mechanisms and lifetime behavior of plasma-sprayed thermal barrier coating systems for gas turbines—Part II: Modeling, Surface and coatings technology, 202(2008) 5901-5908.

6. Y. Tang, Failure analysis of thermal barrier coatings, Ph.D. Thesis, Tulane University, Tulane, U.S.A, (2007).

7. X. Cao, R. Vassen, and D. Stoever, Ceramic materials for thermal barrier coatings, Journal of the European Ceramic Society, 24(2004) 1-10.

8. A. Keyvani and M. Bahamirian, Oxidation resistance of Al2O3-nanostructured/CSZ composite compared to conventional CSZ and YSZ thermal barrier coatings, Materials Research Express,. 3(2016) 1-12.

9. K. Ogawa, High temperature oxidation behavior of thermal barrier coatings, chapter 4 from the book gas turbines - materials, modeling and performance, 103-125(2015).

10.A. Keyvani, M. Saremi, M. H. Sohi, Z. Valefi, M. Yeganeh, and A. Kobayashi, Microstructural stability of nanostructured YSZ–alumina composite TBC compared to conventional YSZ coatings by means of oxidation and hot corrosion tests, Journal of Alloys and Compounds, 600(2014) 151-158.

11. M. Abbas, H. Guo, and M. R. Shahid, Comparative study on effect of oxide thickness on stress distribution of traditional and nanostructured zirconia coating systems, Ceramics International, 39(2013) 475-481, 2013.

12. A. Keyvani, M. Saremi, and M. H. Sohi, An investigation on oxidation, hot corrosion and mechanical properties of plasma-sprayed conventional and nanostructured YSZ coatings, Surface and Coatings Technology, 206 (2011) 208-216.

13. A. Keyvani, M. Bahamirian, and A. Kobayashi, Effect of sintering rate on the porous microstructural, mechanical and thermomechanical properties of YSZ and CSZ TBC coatings undergoing thermal cycling, Journal of Alloys and Compounds, 727(2017)1057-1066.

14. A. Keyvani and M. Bahamirian, Hot corrosion and mechanical properties of nanostructured Al2O3/CSZ composite TBCs, Surface Engineering, (2017)1-11.

15. M. Bahamirian and S. K. Asl, An investigation on effect of replacement on hot corrosion properties of thermal barrier coatings, Iranian Journal of Materials Science & Engineering, 10(2013).

16. A. Rahman and R. Jayaganthan, Study of Nanostructured CeO2 Coatings on Superalloy, Surface Engineering, (2016)1-8.

17. M. Nejati, M. Rahimipour, and I. Mobasherpour, Evaluation of hot corrosion behavior of CSZ, CSZ/micro Al2O3 and CSZ/nano Al2O3 plasma sprayed thermal barrier coatings, Ceramics International, 40(2014)4579-4590.

18. Z. Han, B. Xu, H. Wang, and S. Zhou, A comparison of thermal shock behavior between currently plasma spray and supersonic plasma spray CeO2–Y2O3–ZrO2 graded thermal barrier coatings, Surface and Coatings Technology, 201(2007) 5253-5256.

19. D. Lee and C. Lee, High-temperature oxidation of NiCrAlY/(ZrO2–Y2O3 and ZrO2–CeO2–Y2O3) composite coatings, Surface and Coatings Technology, 193(2005)239-242.

20. S. Sodeoka, M. Suzuki, T. Inoue, K. Ueno, and S. Oki, Thermal and mechanical properties of plasma sprayed ZrO2-CeO2-Y2O3 coatings plasma, Thermal spray: Practical solutions for engineering problems, (1996) 295-302.

21. میلاد بهامیریان، شاهین خامنه­اصل، کوروش جعفرزاده، بررسی تغییر در روش اعمال NiCrAlY  به عنوان لایه میانی بر رفتار خوردگی داغ پوشش سد حرارتی زیرکونیایی، نشریه علوم و مهندسی سطح، ص 101-91، شماره 9، 1392.

22. D. Wang, Design of Novel Thermal Barrier Coatings with Reduced Thermal Conduction and Thermal Radiation, Carleton University Ottawa, (2006).

23. V. Kumar and K. Balasubramanian, Progress update on failure mechanisms of advanced thermal barrier coatings: A review, Progress in Organic Coatings, 90(2016) 54-82.

24. A. C. Karaoglanli, A. Turk, I. Ozdemir, and F. Ustel, Comparison of Oxidation and Thermal Shock Performance of Thermal Barrier Coatings, Materials and Manufacturing Processes, 30(2015) 717-723.

25. A. G. Evans, D. Mumm, J. Hutchinson, G. Meier, and F. Pettit, Mechanisms controlling the durability of thermal barrier coatings, Progress in materials science, 46(2001) 505-553.

26. A. N. Khan and J. Lu, "Behavior of air plasma sprayed thermal barrier coatings, subject to intense thermal cycling, Surface and Coatings Technology, 166(2003) 37-43.

27. W. Gong, C. Sha, D. Sun, and W. Wang, Microstructures and thermal insulation capability of plasma-sprayed nanostructured ceria stabilized zirconia coatings, Surface and Coatings Technology, 201(2006) 3109-3115.

28. M. Saremi and M. Habibi, An Investigation on Hot Corrosion Resistance of Plasma Sprayed YSZCeria TBC in Na2SO4+ V2O5 at 1050° C, Supplemental Proceedings: Materials Processing and Energy Materials, 1(2011) 429-437.

29. R. L. Jones, Some aspects of the hot corrosion of thermal barrier coatings, Journal of Thermal Spray Technology, 6(1997)77-84.

30. H. Chen, X. Zhou, and C. Ding, Investigation of the thermomechanical properties of a plasma-sprayed nanostructured zirconia coating," Journal of the European Ceramic Society, 23(2003) 1449-1455