نشریه علوم و مهندسی سطح

نشریه علوم و مهندسی سطح

پیش‌بینی عمر تخریب پوشش‌های سد حرارتی نسل جدید تک و دو لایهZrO2-8Y2O3 / Gd2Zr2O7 حین اعمال سیکل‌های حرارتی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
گروه مهندسی مواد و متالورژی، دانشکده مهندسی معدن و متالورژی، دانشگاه یزد، یزد، ایران
چکیده
پیش‌بینی عمر تخریب پوشش‌های سد حرارتی بعنوان یکی از چالش‌های مهم در قطعات بخش داغ توربین‌های گازی مطرح است. در این مطالعه به بررسی تنش‌های موثر در تعیین عمر پوشش‌های سد حرارتی نسل جدید تک لایه Gd2Zr2O7 (GdZO) و دو لایه ZrO2-8Y2O3 (YSZ) / GdZO پرداخته شده است. برای این منظور پوشش‌های سد حرارتی تک لایه GdZO و دو لایه YSZ / GdZO روی IN738LC / CoNiCrAlY به روش پاشش پلاسمای اتمسفری اعمال شدند. سپس رفتار اکسیداسیون سیکلی آن‌ها در دمای °C1100 با سیکل‌های 4 ساعته مورد بررسی قرار گرفت. بررسی‌های ریزساختاری پوشش‌های سد حرارتی (قبل و بعد از اکسیداسیون) توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی انجام شد. علاوه بر این رفتار مکانیکی پوشش‌های سد حرارتی توسط آزمون نانو فرورونده بررسی و سپس تغییرات نرخ آزاد سازی انرژی ناشی از رشد ترک در پوشش‌های سد حرارتی حین سیکل‌های اکسیداسیون محاسبه شد. نتایج نشان داد که تغییرات نرخ آزاد سازی انرژی رشد ترک پوشش سد حرارتی دو لایه YSZ / GdZO نسبت به پوشش سد حرارتی تک لایه GdZO کمتر و در نتیجه عملکرد دما بالای بهتری دارد. بکارگیری یک لایه YSZ مابین دو لایه میانی و بالایی منجر به بهبود خواص مکانیکی پوشش‌های سد حرارتی نسل جدید شده و با افزایش مقاومت به اکسیداسیون سبب افزایش طول عمر آن‌ها می‌شود.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]        J. G. Thakare, C. Pandey, M. Mahapatra, and R. Mulik, "Thermal barrier coatings—a state of the art review," Metals and Materials International, vol. 27, no. 7, (2021), pp. 1947-1968.
[2]        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, vol. 46, no. 7, (2020), pp. 8497-8521.
[3]        E. Bakan and R. Vaßen, "Ceramic top coats of plasma-sprayed thermal barrier coatings: materials, processes, and properties," Journal of Thermal Spray Technology, vol. 26, no. 6, (2017), pp. 992-1010.
[4]        R. Vaßen, M. O. Jarligo, T. Steinke, D. E. Mack, and D. Stöver, "Overview on advanced thermal barrier coatings," Surface and Coatings Technology, vol. 205, no. 4, (2010), pp. 938-942.
[5]        X. Cao, R. Vassen, and D. Stöver, "Ceramic materials for thermal barrier coatings," Journal of the European Ceramic Society, vol. 24, no. 1, (2004), pp. 1-10.
[6]        M. Bahamirian, "A comparative study on phase stability of ZrO2-8wt.%Y2O3: nanoparticles and microparticles," Advanced Ceramics Progress, vol. 8, no. 2, pp. 53-60, 2022.
[7]        M. Bahamirian, A. Bastani, S. Hasani, M. Farvizi, and A. Seifoddini, "A2Zr2O7 (A= La/Gd/Yb): Grain growth effect on phase stability properties at 1300°C," Ceramics International, vol. 49, no. 11, A, (2023), pp. 16717-16731.
[8]        M. Bahamirian, "Nanostructured Gd2Zr2O7: a promising thermal barrier coating with high resistance to CaO–MgO–Al2O3–SiO2 corrosion," Journal of the Australian Ceramic Society, vol. 59, (2023), pp. 165–177.
[9]        M. Bahamirian, S. Hadavi, M. Farvizi, A. Keyvani, and M. Rahimipour, "Thermal durability of YSZ / nanostructured Gd2Zr2O7 TBC undergoing thermal cycling," Oxidation of Metals, vol. 92, no. 5, (2019), pp. 401-421.
[10]      M. Bahamirian, S. Hadavi, M. Farvizi, M. Rahimipour, and A. Keyvani, "Enhancement of hot corrosion resistance of thermal barrier coatings by using nanostructured Gd2Zr2O7 coating," Surface and Coatings Technology, vol. 360, (2019), pp. 1-12.
[11]      P.-f. Zhao and F.-l. Shang, "Experimental study on the interfacial delamination in a thermal barrier coating system at elevated temperatures," Journal of Zhejiang University-SCIENCE A, vol. 11, no. 10, (2010), pp. 794-803.
[12]      R. Vaßen, G. Kerkhoff, and D. Stöver, "Development of a micromechanical life prediction model for plasma sprayed thermal barrier coatings," Materials Science and Engineering: A, vol. 303, no. 1-2, (2001), pp. 100-109.
[13]      R. Vaßen, S. Giesen, and D. Stöver, "Lifetime of plasma-sprayed thermal barrier coatings: comparison of numerical and experimental results," Journal of thermal spray technology, vol. 18, (2009), pp. 835-845.
[14]      A. Kucuk, C. Berndt, U. Senturk, R. Lima, and C. Lima, "Influence of plasma spray parameters on mechanical properties of yttria stabilized zirconia coatings. I: Four point bend test," Materials Science and Engineering: A, vol. 284, no. 1-2, (2000), pp. 29-40.
[15]      A. Kucuk, C. Berndt, U. Senturk, and R. S. Lima, "Influence of plasma spray parameters on mechanical properties of yttria stabilized zirconia coatings. II: Acoustic emission response," Materials Science and Engineering: A, vol. 284, no. 1-2, (2000), pp. 41-50.
[16]      H. Grünling and W. Mannsmann, "Plasma sprayed thermal barrier coatings for industrial gas turbines: morphology, processing and properties," Le Journal de Physique IV, vol. 3, no. C7, (1993), pp. C7-903-C7-912.
[17]      M. Izadinia, R. Soltani, M. H. Sohi, and T. Coyle, "Effect of using unpyrolyzed powder on mechanical properties of vertically cracked thermal barrier coatings," Surface and Coatings Technology, vol. 459, (2023), p. 129404.
[18]      L. Wang et al., "Influence of pores on the thermal insulation behavior of thermal barrier coatings prepared by atmospheric plasma spray," Materials & Design, vol. 32, no. 1, (2011), pp. 36-47.
[19]      I. Golosnoy, A. Cipitria, and T. Clyne, "Heat transfer through plasma-sprayed thermal barrier coatings in gas turbines: a review of recent work," Journal of thermal spray technology, vol. 18, (2009), pp. 809-821.
[20]      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, vol. 727, (2017), pp. 1057-1066.
[21]      M. Bahamirian, S. Hadavi, M. Farvizi, A. Keyvani, and M. Rahimipour, "Microstructure and cyclic oxidation of yttria-stabilized zirconia/nanostructured ZrO2 9.5Y2O3 5.6Yb2O3 5.2Gd2O3 thermal barrier coating at 1373 K," Journal of Materials Engineering and Performance, vol. 29, no. 11, (2020), pp. 7080-7093.
[22]      A. Keyvani, M. Saremi, M. H. Sohi, and Z. Valefi, "A comparison on thermomechanical properties of plasma-sprayed conventional and nanostructured YSZ TBC coatings in thermal cycling," Journal of Alloys and Compounds, vol. 541, (2012), pp. 488-494.
[23]      A. Reddy, D. Hovis, A. Heuer, A. Paulikas, and B. Veal, "In situ study of oxidation-induced growth strains in a model NiCrAlY bond-coat alloy," Oxidation of metals, vol. 67, (2007), pp. 153-177.
[24]      E. Busso, J. Lin, S. Sakurai, and M. Nakayama, "A mechanistic study of oxidation-induced degradation in a plasma-sprayed thermal barrier coating system.: Part I: model formulation," Acta materialia, vol. 49, no. 9, (2001), pp. 1515-1528.
[25]      E. Busso, J. Lin, and S. Sakurai, "A mechanistic study of oxidation-induced degradation in a plasma-sprayed thermal barrier coating system.: Part II: Life prediction model," Acta materialia, vol. 49, no. 9, (2001), pp. 1529-1536.
[26]      D. Balint, S.-S. Kim, Y.-F. Liu, R. Kitazawa, Y. Kagawa, and A. Evans, "Anisotropic TGO rumpling in EB-PVD thermal barrier coatings under in-phase thermomechanical loading," Acta Materialia, vol. 59, no. 6, (2011), pp. 2544-2555.
[27]      M. Ahrens, R. Vaßen, and D. Stöver, "Stress distributions in plasma-sprayed thermal barrier coatings as a function of interface roughness and oxide scale thickness," Surface and Coatings Technology, vol. 161, no. 1, (2002), pp. 26-35.