نشریه علوم و مهندسی سطح

نشریه علوم و مهندسی سطح

تحلیل میکروساختاری و ارزیابی خواص مکانیکی پوشش‌های سد حرارتی حاصل از پودرهای میکرو و نانو CeYSZ در شرایط اکسیداسیون در دمای °C 1100

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
گروه مهندسی مواد و متالورژی، دانشکده مهندسی معدن و متالورژی، دانشگاه یزد، یزد، ایران
چکیده
پژوهش حاضر با هدف مقایسه خواص پوشش‌های سد حرارتی حاصل از پودرهای میکرو و نانو اندازه CeYSZ: ZrO2 – 24 wt% CeO2 - 2.5 wt% Y2O3 انجام شده است. بر این اساس دو پوشش سد حرارتی میکرو و نانو CeYSZ به روش پاشش پلاسمای اتمسفری روی زیرلایه‌های IN738LC و با لایه فلزی CoNiCrAlY ایجاد شدند. از نانو پودر CeYSZ تولید شده به روش سل – ژل و از پودر میکرونی تجاری CeYSZ به ترتیب برای ایجاد پوشش‌های سد حرارتی نانو و میکرو CeYSZ استفاده شد. اکسیداسیون ایزوترم به مدت 50 ساعت برای بررسی رفتار دما بالای پوشش‌های سد حرارتی نانو و میکرو CeYSZ در نظر گرفته شد. قبل و بعد از آزمون اکسیداسیون، خواص پوشش‌های سد حرارتی نانو و میکرو CeYSZ به کمک آنالیز پراش پرتو ایکس، میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی و آزمون‌های نانو فرورفتگی و دیلاتومتری بررسی شدند. وجود ذرات نانو اندازه در پوشش سد حرارتی نانو CeYSZ منجر به افزایش مقاومت به اکسیداسیون آن نسبت به پوشش سد حرارتی دیگر شد. معیار ƞ = Wp / Wt (803/0)، پارامتر ضریب انبساط حرارتی (K-1 6- 10 × 12) و درصد تخلخل (10-8 درصد) محاسبه شده، تاییدی بر بهبود خواص پوشش سد حرارتی نانو CeYSZ نسبت به پوشش سد حرارتی میکرونی CeYSZ (689/0 ƞ =، K-1 6- 10 × 10، 15-17 درصد تخلخل) در نظر گرفته شد. همچنین از نظر پایداری فازی پوشش سد حرارتی نانو CeYSZ نسبت به پوشش سد حرارتی میکرو CeYSZ شرایط بهتری حین اکسیداسیون تجربه کرد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]           X. Cao, R. Vassen, and D. Stöver, "Ceramic materials for thermal barrier coatings," Journal of the European Ceramic Society, 24, (2004), 1-10.
[2]           R. Vassen, A. Stuke, and D. Stöver, "Recent developments in the field of thermal barrier coatings," Journal of thermal spray technology, 18, (2009) 181-186.
[3]           M. Bahamirian, A. Keyvani, R. Irankhah, and M. Farvizi, "High-temperature cyclic oxidation of micro-and nano-ZrO2–25wt.% CeO2–2.5 wt.% Y2O3 thermal barrier coatings at 1300 °C," Surface and Coatings Technology, 474, (2023), 130076.
]4[           م. رحیمی، ا. کیوانی و بهامیریان، "بررسی رفتار خوردگی پوشش‌ سد حرارتی زیرکونیا - سریا - ایتریا - آلومینا - کاربید سیلیسیم در محیط سولفات سدیم - پنتا اکسید وانادیم (در معرض رسوب نمک Na2SO4-V2O5 در دمای 950 درجه سانتی‌گراد)،" نشریه علوم و مهندسی سطح، 18، (1401)، 58-47.
]5[           ا. کیوانی، ع. زارعی نژاد، م. بهامیریان و ض. والفی، "بهبود رفتار دما بالای پوشش های سد حرارتی زیرکونیایی مرسوم به کمک پایدار کننده اکسید سریم،" نشریه علوم و مهندسی سطح، 14، (1397)، 14-1.
]6[           ا. کیوانی، م. کریمی لنجی، م. احمدپور و م. بهامیریان، "بررسی رفتار خوردگی داغ پوشش‌های سد حرارتی تک لایه و دولایه زیرکونیایی در محیط کلسیم-منیزیم-آلومینوسیلیکات،" نشریه علوم و مهندسی سطح، 15، (1398)، 25-15.
[7]           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.
[8]           R. S. Lima and B. R. Marple, "Thermal spray coatings engineered from nanostructured ceramic agglomerated powders for structural, thermal barrier and biomedical applications: a review," Journal of Thermal Spray Technology, 16, (2007), 40-63.
[9]           R. S. Lima, A. Kucuk, and C. Berndt, "Bimodal distribution of mechanical properties on plasma sprayed nanostructured partially stabilized zirconia," Materials Science and Engineering: A, 327, (2002), 224-232.
[10]         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.
[11]         J. Wu, H.-b. Guo, L. Zhou, L. Wang, and S.-k. Gong, "Microstructure and thermal properties of plasma sprayed thermal barrier coatings from nanostructured YSZ," Journal of Thermal Spray Technology, 19, (2010), 1186-1194.
[12]         L. Chen, "Yttria-stabilized zirconia thermal barrier coatings—a review," Surface Review and Letters, 13, (2006), 535-544.
[13]         G. V. Reddy, N. G. Rasu, M. M. J. Kumar, and T. H. Prasad, "Review on advanced alternative thermal barrier coatings (TBC’s) materials in low heat rejection engines," Int. J. Res. Mech. Eng. Technol, (2016), 2-6.
[14]         A. Keyvani, M. Bahamirian, and B. Esmaeili, "Sol-gel synthesis and characterization of ZrO2-25wt.% CeO2-2.5 wt.% Y2O3 (CYSZ) nanoparticles," Ceramics International, 46, (2020), 21284-21291.
[15]         M. R. Loghman-Estarki et al., "Preparation of nanostructured YSZ granules by the spray drying method," Ceramics International, 40, (2014), 3721-3729.
[16]         C. A. Schuh, "Nanoindentation studies of materials," Materials today, 9, (2006), 32-40.
[17]         F. Zhou, S. Wang, B. Xu, Y. Wang, X. Zhang, and Y. Wang, "Nanomechanical properties of plasma-sprayed nanostructured and conventional 8YSZ thermal barrier coatings," Ceramics International, 48,(2022), 37483-37487.
[18]         G. Fox-Rabinovich, S. Veldhuis, V. Scvortsov, L. S. Shuster, G. Dosbaeva, and M. Migranov, "Elastic and plastic work of indentation as a characteristic of wear behavior for cutting tools with nitride PVD coatings," Thin Solid Films, 469, (2004)) 505-512, 2004.
[19]         M. Bahamirian, "A Comparative Study on the Phase Stability of ZrO2-8 wt. % Y2O3: Nano- and Micro-Particles," Advanced Ceramics Progress, 8, (2021), 53-60.
[20]         Y. Zhou, H. Nan, Q. Zhang, C. Wang, Y. Qing, and Q. Chen, "Plasma sprayed TBCs with controlled intra-splat spherical pores and enhanced blocking of radiative heat transfer," Journal of the European Ceramic Society, 44, (2024), 3099-3111.
[21]         S.-y. Qiu, Y.-C. Liu, H.-b. Guo, C.-G. Huang, Y. Ma, and C.-W. Wu, "Effect of splat-interface discontinuity on effective thermal conductivity of plasma sprayed thermal barrier coating," Ceramics International, 46, (2020), 4824-4831.
[22]         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.
[23]         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, 161, (2002), 26-35.
[24]         S. Bose and J. DeMasi-Marcin, "Thermal barrier coating experience in gas turbine engines at Pratt & Whitney," Journal of thermal spray technology, 6, (1997), 99-104.
[25]         H. Grünling and W. Mannsmann, "Plasma sprayed thermal barrier coatings for industrial gas turbines: morphology, processing and properties," Le Journal de Physique IV, 3, (1993), C7-903-C7-912.
[26]         A. Patterson, "The Scherrer formula for X-ray particle size determination," Physical review, 56, (1939) 978, 1939.
[27]         K. M. Doleker, Y. Ozgurluk, and A. C. Karaoglanli, "TGO growth and kinetic study of single and double layered TBC systems," Surface and Coatings Technology, 415, (2021), 127135.
[28]         S. Kyaw, A. Jones, and T. Hyde, "Predicting failure within TBC system: Finite element simulation of stress within TBC system as affected by sintering of APS TBC, geometry of substrate and creep of TGO," Engineering Failure Analysis, 27, (2013), 150-164.
[29]         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, 59, (2011) 2544-2555.
[30]         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, 303, (2001), 100-109.
[31]         K. Fu, Y. Tang, and L. Chang, "Toughness assessment and fracture mechanism of brittle thin films under nano-indentation," Fracture Mechanics-Properties, Patterns and Behaviours, 1, (2016), 121-144.