مطالعه مکانیزم تخریب پوشش سد حرارتی تحت شوک گرمایی با اعمال گرادیان دمایی در ضخامت پوشش

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی اصفهان

2 عضو هیئت علمی- دانشکده مهندسی مواد- دانشگاه صنعتی اصفهان

3 عضو هیأت علمی دانشگاه صنعتی اصفهان

4 دانشکده مهندسی مواد- دانشگاه صنعتی اصفهان

چکیده

خستگی حرارتی (عمر شوک گرمایی) پوشش‌های سد حرارتی در قطعات ناحیه داغ عامل کلیدی در عملکرد توربین‌های هوایی است و شبیه‌سازی عملی جهت مطالعه شرایط نزدیک به کارکرد واقعی این پوشش‌ها در توربین ضرورت می‌یابد. به این منظور در تحقیق حاضر با استفاده از شعله‌ی دستگاه برنر ریگ و اعمال سرمایش هم‌زمان از پشت زیرلایه همراه با سرمایش سریع در سیکل‌های زمانی ثابت، شرایط واقعی سیکل شوک گرمایی توربین‌های هوایی طراحی و اجرا شد. در این پژوهش از پوشش متداول سد حرارتی دو لایه شامل پوشش پیوندی فلزی NiCoCrAlY و پوشش رویی سرامیکی YSZ اعمال شده با روش پاشش پلاسمایی(APS) استفاده شد. ریزساختار پوشش‌ها بعد از 10 و 40 سیکل آزمون شوک گرمایی برای ارزیابی مکانیزم واقعی تخریب پوشش‌ها مورد بررسی قرارگرفت. نتایج حاکی از اثر تخریبی قابل توجه اکسیدهای بین لایه‌ای درون پوشش پیوندی با مورفولوژی صفحه‌ای است. این اکسیدها علاوه بر مصرف بیهوده آلومینیوم مورد نیاز برای محافظت پوشش در آلومینای فصل مشترک پوشش سرامیکی- پیوندی، موجب تشدید تنش‌های تخریبی در این فصل مشترک نیز می‌شوند. نقش راچتینگ پوشش در فصل مشترک پوشش سرامیکی و پوشش پیوندی بیش از ائر تنش‌های رشد هر دو نوع لایه اکسید حرارتی در فصل مشترک و بین لایه‌ای در خلال آزمون شوک گرمایی است.

کلیدواژه‌ها


[1]      E. Tzimas, H. Müllejans, S.D. Peteves, J. Bressers, W. Stamm, Failure of thermal barrier coating systems under cyclic thermomechanical loading, Acta Mater. 48 (2000) 4699–4707. https://doi.org/10.1016/S1359-6454(00)00260-3.
[2]      D.R. Clarke, M. Oechsner, N.P. Padture, Thermal-barrier coatings for more efficient gas-turbine engines, MRS Bull. 37 (2012) 891–898. https://doi.org/10.1557/mrs.2012.232.
[3]      S. Tailor, M.R. Mohanty, V.A. Doub, Development of a new TBC system for more efficient gas turbine engine application, Mater. Today Proc. 3 (2016) 2725–2734. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2016.06.019.
[4]      R.A. Miller, History of Thermal Barrier Coatings for Gas Turbine Engines Emphasizing NASA ’ s Role From 1942 to 1990, NASA TM -215459. (2009). https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20090018047.pdf.
[5]      A. Rabiei, A.G. Evans, Failure Mechanisms Associated With the Thermally Grown Oxide in Plasma-Sprayed Thermal Barrier Coatings, Acta Mater. 48 (2000) 3963–3976.
[6]      S. Bose, High temperature coatings, Elsevier, 2007.
[7]      G. Witz, K.F. Staerk, U. Krasselt, H.-P. Bossmann, C.M. Maggi, Burner Rig Testing of Thermal Barrier Coatings for Lifetime Prediction, Proc. ASME Turbo Expo 2014 GT 2014. (2014) V006T22A003. https://doi.org/10.1115/gt2014-25372.
[8]      R.A. Miller, thermal barrier coatings for AirCraft Engines history and directions, J. Therm. Spray Technol. 6 (1997) 35–42. https://doi.org/10.1007/BF02646310.
[9]      E. Sadri, F. Ashrafizadeh, A. Eslami, H.S. Jazi, H. Ehsaei, Thermal shock performance and microstructure of advanced multilayer thermal barrier coatings with Gd2Zr2O7 topcoat, Surf. Coatings Technol. 448 (2022) 128892. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2022.128892.
[10]    W.R. Chen, X. Wu, B.R. Marple, D.R. Nagy, P.C. Patnaik, TGO growth behaviour in TBCs with APS and HVOF bond coats, Surf. Coatings Technol. 202 (2008) 2677–2683. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2007.09.042.
[11]    S. Saeidi, Microstructure, oxidation & mechanical properties of as-sprayed and annealed HVOF & VPS CoNiCrAIY coatings, Thesis. (2011). http://etheses.nottingham.ac.uk/1731/.
[12]    W. Zhu, Z.B. Zhang, L. Yang, Y.C. Zhou, Y.G. Wei, Spallation of thermal barrier coatings with real thermally grown oxide morphology under thermal stress, Mater. Des. 146 (2018) 180–193. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2018.03.019.
[13]    T. Galiullin, A. Chyrkin, R. Pillai, R. Vassen, W.J. Quadakkers, Effect of alloying elements in Ni-base substrate material on interdiffusion processes in MCrAlY-coated systems, Surf. Coat. Technol. 350 (2018) 359–368. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.07.020.
[14]    H.E. Evans, Oxidation failure of TBC systems: An assessment of mechanisms, Surf. Coatings Technol. 206 (2011) 1512–1521. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2011.05.053.
[15]    A.G. Evans, D.R. Mumm, J.W. Hutchinson, G.H. Meier, F.S. Pettit, Mechanisms Controlling the Durability and Performance of Thermal Barrier Coatings, Prog. Mater. Sci. 46 (2001) 505–553. https://doi.org/10.1016/S0079-6425(00)00020-7.