بررسی عملکرد تشکیل ترکهای عمودی در آزمون اکسیداسیون و شوک حرارتی پوشش نانو YSZ-40%wtAl2O3 اعمال شده روی YSZ با فرایند پاشش پلاسمایی اتمسفری
محورهای موضوعی : عملیات حرارتیسعید تقی رمضانی 1 , ضیاء والفی 2
1 - کارشناس ارشد مهندسی خوردگی و حفاظت از مواد، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران.
2 - مجتمع دانشگاهی مواد و فناوری های ساخت، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران
کلید واژه: سد نفوذی, YSZ-Al2O3, ترک عمودی, اکسیداسیون دما بالا, شوک حرارتی,
چکیده مقاله :
هدف از انجام پژوهش حاضر، بررسی عملکرد تشکیل ترکهای عمودی در راستای ضخامت پوشش YSZ-40%wtAl2O3 روی YSZ و بهبود مقاومت به اکسیداسیون و شوک حرارتی پوششهای سد حرارتی با فرایند پاشش پلاسمایی اتمسفری میباشد. در این تحقیق ابتدا پودر YSZ-40%wtAl2O3 با استفاده از فرایند همرسوبی سنتز و سپس با فرایند پاشش پلاسمایی اتمسفری روی YSZ اعمال شد. آزمون اکسیداسیون دما بالا در دمای C˚1100 و آزمون شوک حرارتی در دمای C˚1000 انجام گرفتند. مشخصههای ساختاری و فازی پوششها با استفاده از میکروسکوپ نوری، میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی (FE-SEM) و پراشسنجی پرتو X (XRD) بررسی شدند. مقایسهی ساختاری نمونهها نشان دادند که استفاده از ترکیب یوتکتیک YSZ-40%wtAl2O3 به دلیل کاهش دمای ذوب ترکیب و افزایش ذوب شوندگی که تماس مناسب بین اسپلتها را به همراه دارد. این پوشش افزایش 6/18 درصدی مقاومت به اکسیداسیون را نسبت به TBC معمولی نشان داد. همچنین یافتهها نشان دادند که تجزیه پیشماده پیرولیزنشده در ساختار پوشش YSZ-40%wtAl2O3 منجر به ایجاد ترکهای عمودی در ساختار پوشش میشود که با افزایش زمان اکسیداسیون تعداد ترکهای عمودی با فاصلهی مشخص در ساختار پوشش نیز افزایش خواهد یافت. همچنین قابلیت مناسب ترکهای عمودی ایجاد شده در پوشش YSZ-40%wtAl2O3، از نظر تحمل تنشها، توانایی پوشش جهت آزادسازی تنشها در حین سیکلهای حرارتی را افزایش داده و در نهایت به افزایش دوام پوشش منجر میشود.
The purpose of this research is to investigate the performance of vertical cracks along the thickness of YSZ-40%wtAl2O3 coating and to improve the resistance to oxidation and thermal shock of thermal barrier coatings by creating a layer of YSZ-Al2O3 applied on the YSZ by atmospheric plasma spraying. In this research, YSZ-40%wtAl2O3 powder was synthesized using co-precipitation process and then applied on the YSZ by atmospheric plasma spraying process. High temperature oxidation test at 1100 ˚C and thermal shock test at 1000 ˚C were performed. The structural and phase characteristics of the coatings were investigated using optical microscope, field emission scanning electron microscope (FE-SEM) and X-ray diffractometry (XRD). The structural comparison of the samples showed that the use of the YSZ-40%wtAl2O3 eutectic compound due to the decrease in the melting temperature of the compound and the increase in the melting which brings the proper contact between the splats. This coating showed 18.6% increase in oxidation resistance compared to conventional TBC. Also, the findings showed that the decomposition of the un-pyrolysed precursor in the coating structure of YSZ-40%wtAl2O3 leads to the creation of vertical cracks in the coating structure, which as the oxidation time increases, the number of vertical cracks with a certain distance in the coating structure will also increase. Also, the suitability of the vertical cracks created in the YSZ-40%wtAl2O3 coating, in terms of stress tolerance, increases the ability of the coating to release the stresses during thermal cycles and finally leads to increase in the durability of the coating.
[1] R. Vassen, A. Stuke & D. Stöver, "Recent developments in the field of thermal barrier coatings", Journal of thermal spray technology, vol. 18, pp. 181-186, 2009.
[2] ر. سحرخیز، ض. والفی، م. میرجانی و س تقی رمضانی، "مقایسه ریزساختار و مقاومت به اکسیداسیون دما بالای پوششهای NiCrAlY ایجاد شده به روش پاشش پلاسمایی اتمسفری (APS) و پاشش پلاسمایی با غلاف جامد محافظ (SSPS)"، فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 15، شماره 2، صفحه 82-65، 1400.
[3] S. Taghi-Ramezani, Z. Valefi, M. Mirjani & R. Ghasemi, "The influence of pyrolysing Al2O3 precursor on the high temperature properties of the YSZ-Al2O3 composite coating", Surface Engineering, vol. 37, no. 8, pp. 991-1001, 2021.
[4] س. تقی رمضانی، ض. والفی، ن. احسانی و م. میرجانی، "مقایسه خواص اکسیداسیون و شوک حرارتی پوششهای سپر حرارتی کامپوزیتی YSZ/Nano-Al2O3 با آلومینای ایجاد شده از فرآیند پاشش پلاسمایی پودر پیشماده پیرولیز نشده و پودر کریستالی نانوآگلومره"، فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 15، شماره 3، صفحه 15-1، 1400.
[5] A. Keyvani, M. Saremi & M. H. Sohi, "Oxidation resistance of YSZ-alumina composites compared to normal YSZ TBC coatings at 1100 C", Journal of alloys and compounds, vol. 509, no. 33, pp. 8370-8377, 2011.
[6] س. تقی رمضانی، ض. والفی و ن. احسانی، "بررسی خواص اکسیداسیون و شوک حرارتی پوشش سپر حرارتی کامپوزیتی YSZ/Al2O3 با آلومینای ایجاد شده با فرآیند پاشش حرارتی محلول پیشماده"، فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 14، شماره 4، صفحه 90-77، 1399.
[7] A. Keyvani, "Microstructural stability oxidation and hot corrosion resistance of nanostructured Al2O3/YSZ composite compared to conventional YSZ TBC coatings", Journal of Alloys and Compounds, vol. 623, pp. 229-237, 2015.
[8] A. Keyvani, 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, vol. 600, pp. 151-158, 2014.
[9] A. C. Karaoglanli, E. Altuncu, I. Ozdemir, A. Turk & 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, vol. 205, pp. S369-S373, 2011.
[10] X. Guo, "Space-charge conduction in yttria and alumina codoped-zirconia 1", Solid State Ionics, vol. 96, no. 3-4, pp. 247-254, 1997.
[11] B. Liang, H. Liao, Ch. Ding & Ch. Coddet, "Nanostructured zirconia–30 vol.% alumina composite coatings deposited by atmospheric plasma spraying", Thin Solid Films, vol. 484, no. 1-2, pp. 225-231, 2005.
[12] M. Saremi, Z. Valefi & N. Abaeian, "Hot corrosion, high temperature oxidation and thermal shock behavior of nanoagglomerated YSZ–Alumina composite coatings produced by plasma spray method", Surface and Coatings Technology, vol. 221, pp. 133-141, 2013.
[13] D. Chen, E.H. Jordan & M. Gell, "Solution precursor high-velocity oxy-fuel spray ceramic coatings", Journal of the European Ceramic Society, vol. 29, no, 16, pp. 3349-3353, 2009.
[14] M. Karger, R. Vaßen & D. Stöver, "Atmospheric plasma sprayed thermal barrier coatings with high segmentation crack densities: Spraying process, microstructure and thermal cycling behavior", Surface and Coatings Technology, vol. 206, no. 1, pp. 16-23, 2011.
[15] H. Guo, S. Kuroda & H. Murakami, "Microstructures and properties of plasma‐sprayed segmented thermal barrier coatings" Journal of the American Ceramic Society, vol. 89, no. 4, pp. 1432-1439. 2006.
[16] L. Xie, D. Chen, E. H. Jordan & A. Ozturk, "Formation of vertical cracks in solution-precursor plasma-sprayed thermal barrier coatings", Surface and Coatings Technology, vol. 201, no. 3, pp. 1058-1064, 2006.
[17] R. Lima, A. Kucuk & C. Berndt, "Integrity of nanostructured partially stabilized zirconia after plasma spray processing", Materials Science and Engineering: A, vol. 313, no. 1 pp. 75-82, 2001.
[18] J. Wu, H. B. Guo, L. Zhou & L. Wang, "Microstructure and thermal properties of plasma sprayed thermal barrier coatings from nanostructured YSZ", Journal of Thermal Spray Technology, vol. 19, no. 6, pp. 1186-1194, 2010.
[19] H. Zhou, F. Li & J. Wang, "Microstructure analyses and thermophysical properties of nanostructured thermal barrier coatings", Journal of Coatings Technology and Research, vol. 6, no. 3, pp. 383-390, 2009.
[20] P. Fauchais, "Thermal Spray Fundamentals/Fauchais", P., Heberlein, J., Boulos, M. NY: Springer, p. 1600, 2014.
[21] M. Gell, E.H. Jordan, M. Teicholz & B. M. Cetegen, "Thermal barrier coatings made by the solution precursor plasma spray process", Journal of Thermal Spray Technology, vol. 17, pp. 124-135, 2008.
[22] G. Jeffery, "Elements of x-ray diffraction (Cullity, BD)", ACS Publications, 1957.
[23] J. Ziegelheim, L. Lombardi, Z. Pala & Z. Česánek, "Abradable Coatings for Small Turboprop Engines: A Case Study of Nickel-Graphite Coating", Journal of Thermal Spray Technology, vol. 28, no. 4, pp. 794-802, 2019.
[24] L. Jin, L. Ni, Q. Yu, A. Rauf & Ch .Zhou, "Thermal cyclic life and failure mechanism of nanostructured 13 wt% Al2O3 doped YSZ coating prepared by atmospheric plasma spraying", Ceramics International, vol. 38, no. 4, pp. 2983-2989, 2012.
[25] A. Fox & T. Clyne, "Oxygen transport by gas permeation through the zirconia layer in plasma sprayed thermal barrier coatings", Surface and Coatings Technology, vol. 184, no. 2-3, pp. 311-321, 2004.
[26] M. J. Donachie & S. J. Donachie, "Superalloys: a technical guide", ASM international, 2002.
[27] ب. قاسمی، ض. والفی و س. تقی رمضانی، "مقایسه خواص اکسیداسیون همدما و شوک حرارتی پوشش CoNiCrAlY اعمال‌شده با استفاده از فرآیندهای پاشش پلاسمایی اتمسفری و پاشش پلاسمایی تحت گاز محافظ نیتروژن"، فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 16، شماره 1، صفحه 61-43، 1401.
[28] F. Wu, E. H. Jordan, X. Ma & M. Gell, "Thermally grown oxide growth behavior and spallation lives of solution precursor plasma spray thermal barrier coatings", Surface and Coatings Technology, vol. 202, no. 9, pp. 1628-1635, 2008.
[29] T. A. Taylor, D. L. Appleby & A. Bolcavage, "Dense vertically cracked thermal barrier coatings", Google Patents, 2012.
[30] H. Guo, R. Vaßen & D. Stöver, "Atmospheric plasma sprayed thick thermal barrier coatings with high segmentation crack density", Surface and Coatings technology, vol. 186, no. 3, pp. 353-363, 2004.
[31] M. Gell, E.H. Jordan, M. Teicholz & B. M. Cetegen, "Thermal barrier coatings made by the solution precursor plasma spray process", Journal of Thermal Spray Technology, vol. 17, pp. 124-135, 2008.
[32] L. Li, B. Kharas, H. Zhang & S. Sampath, "Suppression of crystallization during high velocity impact quenching of alumina droplets: Observations and characterization", Materials Science and Engineering: A, vol. 456, no. 1-2, pp. 35-42, 2007.
[33] H. Echsler, V. Shemet, M. Schütze, L. Singheiser & W. J. Quadakkers, "Cracking in and around the thermally grown oxide in thermal barrier coatings: A comparison of isothermal and cyclic oxidation", Journal of Materials science, vol. 41, no. 4, pp. 1047-1058, 2006.
[34] C. Zhou, N. Wang & H. Xu, "Comparison of thermal cycling behavior of plasma-sprayed nanostructured and traditional thermal barrier coatings", Materials Science and Engineering: A, vol. 452, pp. 569-574, 2007.
[35] S. Bose, "High temperature coatings", Butterworth-Heinemann, 2011.
فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، سال هجدهم – شماره دوم – تابستان 1403 (شماره پیاپی 69)، صص. 25-46 | ||
| فصلنامه علمی پژوهشی فرآیندهای نوین در مهندسی مواد ma.iaumajlesi.ac.ir |
|
بررسی عملکرد تشکیل ترکهای عمودی در آزمون اکسیداسیون و شوک حرارتی پوشش نانو YSZ-40%wtAl2O3 اعمال شده روی YSZ با فرآیند پاشش پلاسمایی اتمسفری
مقاله پژوهشی |
1- دکتری مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، مجتمع دانشگاهی مواد و فناوریهای ساخت.، تهران، ایران.
2- دانشیار، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، مجتمع دانشگاهی مواد و فناوریهای ساخت، تهران، ایران.
* s.ramezany2013@gmail.com
اطلاعات مقاله |
| چکیده |
دریافت: 26/01/1402 پذیرش: 19/07/1402 | هدف از انجام پژوهش حاضر، بررسی عملکرد تشکیل ترکهای عمودی در راستای ضخامت پوشش YSZ-40%wtAl2O3 روی YSZ و بهبود مقاومت به اکسیداسیون و شوک حرارتی پوششهای سد حرارتی با فرآیند پاشش پلاسمایی اتمسفری میباشد. در این تحقیق ابتدا پودر YSZ-40%wtAl2O3 با استفاده از فرآیند همرسوبی سنتز و سپس با فرآیند پاشش پلاسمایی اتمسفری روی YSZ اعمال شد. آزمون اکسیداسیون دما بالا در دمای C˚1100 و آزمون شوک حرارتی در دمای C˚1000 انجام گرفتند. مشخصههای ساختاری و فازی پوششها با استفاده از میکروسکوپ نوری، میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی (FE-SEM) و پراشسنجی پرتو X (XRD) بررسی شدند. مقایسهی ساختاری نمونهها نشان دادند استفاده از ترکیب یوتکتیک YSZ-40%wtAl2O3 به دلیل کاهش دمای ذوب ترکیب و افزایش ذوب شوندگی تماس مناسب بین اسپلتها را به همراه دارد. این پوشش افزایش 6/18 درصدی مقاومت به اکسیداسیون را نسبت به TBC معمولی نشان داد. همچنین یافتهها نشان دادند که تجزیه پیشماده پیرولیز نشده در ساختار پوشش YSZ-40%wtAl2O3 منجر به ایجاد ترکهای عمودی در ساختار پوشش میشود که با افزایش زمان اکسیداسیون تعداد ترکهای عمودی با فاصلهی مشخص در ساختار پوشش نیز افزایش خواهد یافت. همچنین قابليت مناسب ترکهای عمودی ایجاد شده در پوشش YSZ-40%wtAl2O3، از نظر تحمل تنشها، توانايي پوشش جهت آزادسازی تنشها در حين سيكل‌هاي حرارتي را افزايش داده و در نهایت به افزایش دوام پوشش منجر میشود. | |
کلید واژگان: سد نفوذی YSZ-Al2O3 ترک عمودی اکسیداسیون دما بالا شوک حرارتی. |
|
Investigating the Performance of Vertical Crack Formation in Oxidation and Thermal Shock Test of Nano YSZ-40%wtAl2O3 Coating Applied on YSZ by Atmospheric Plasma Spraying Process
Saeid Taghiramezani1*, Zia Valefi2
1- Ph.D in Faculty of Material and Manufacturing Technologies, Malek Ashtar University of Technology, Tehran, Iran.
2- Associate Professor, Faculty of Material and Manufacturing Technologies, Malek Ashtar University of Technology, Tehran, Iran.
* s.ramezany2013@gmail.com
Abstract |
| Article Information |
The purpose of this research is to investigate the performance of vertical cracks along the thickness of YSZ-40%wtAl2O3 coating and to improve the resistance to oxidation and thermal shock of thermal barrier coatings by creating a layer of YSZ-Al2O3 applied on the YSZ by atmospheric plasma spraying. In this research, YSZ-40%wtAl2O3 powder was synthesized using co-precipitation process and then applied on the YSZ by atmospheric plasma spraying process. High temperature oxidation test at 1100 ˚C and thermal shock test at 1000 ˚C were performed. The structural and phase characteristics of the coatings were investigated using optical microscope, field emission scanning electron microscope (FE-SEM) and X-ray diffractometry (XRD). The structural comparison of the samples showed that the use of the YSZ-40%wtAl2O3 eutectic compound due to the decrease in the melting temperature of the compound and the increase in the melting which brings the proper contact between the splats. This coating showed 18.6% increase in oxidation resistance compared to conventional TBC. Also, the findings showed that the decomposition of the un-pyrolysed precursor in the coating structure of YSZ-40%wtAl2O3 leads to the creation of vertical cracks in the coating structure, which as the oxidation time increases, the number of vertical cracks with a certain distance in the coating structure will also increase. Also, the suitability of the vertical cracks created in the YSZ-40%wtAl2O3 coating, in terms of stress tolerance, increases the ability of the coating to release the stresses during thermal cycles and finally leads to increase in the durability of the coating. | Original Research Paper Doi: | |
| Keywords: Diffusion Barrier YSZ-Al2O3 Vertical Crack High Temperature Oxidation Thermal Shock. |
1- مقدمه
توربينهاي گازي و موتورهاي ديزل از جمله پرکاربردترین تجهيزاتي هستند كه بهطور گسترده در توليد برق، موتور خودرو و هواپيما مورد استفاده قرار ميگيرند. هرگونه پيشرفت در افزایش راندمان موتورهای توربینی موجب افـزایش کـارایی و بهرهوری و كـاهش مصرف سوخت میشود که در نهایت منجر به صرفهجویی در هزینه خواهد شد [1-2]. جهت افزایش توان، عمر و راندمان توربینهای گازی اصلاحات کلی مانند بهبود در ترکیب آلیاژ، استفاده از کانالهای خنک کاری، اصلاح طراحی آیرودینامیکی پرهها و افزایش دمای ورودی توربین1 مورد توجه قرار گرفتـهاند. تـوسعه فناوریهای ریختهگری جهتدار و تک کریستال، اجازه افزایش دمای کاری آلیاژ و در نتیجه افزایش دمای ورودی توربین را فراهم میسازد؛ اما کاربرد این مواد در دماهای کاری بالاتر منجر به کاهش و افت خواص مکانیکی مواد و طول عمر در سرویس میشود. نیاز به حفاظت آلیاژها از تخریب‌کننده‌های محیطی منجر به استفاده از پـوششهای محافظ شده است. استفاده از پوششهاي سد حرارتی (TBCs)2 در توربينهاي مصرفي در صنايع توليد برق و هوافضا باعث كاهش مصرف سوخت آنها به میزان 2-1% میشود كه اين مقدار معادل دهها ميليون دلار صرفهجويي در سال است. زیرکونیای پایدار شده با ایتریا (YSZ)3 که حاوی 8-6 درصد وزنی ایتریا میباشد، به میزان زیادی به‌واسطه ضریب انبساط حرارتی بالا و چقرمگی شکست نسبتاً مناسب، شناختهترین محلول جامدی است که بهعنوان جزء اصلی در پوششهای سپر حرارتی بکار میرود [3-4]. بهطور معمول پوششهای سپر حرارتی از دو لایه تشکیل شدهاند؛ یک لایه پوشش اتصال با ترکیب عمومی MCrAlY که بر روی زیرلایه قرار میگیرد و روی آن یک لایه YSZ اعمال میشود که وظیفه تأمین شیب دمایی را بر عهده دارد و گرمای منتقلشده به سطوح زیرین را کاهش میدهد. در نتیجهی اکسیداسیون ترجیحی پوشش MCrAlY یک لایه رشد یافته حرارتی (TGO)4 بر روی MCrAlY تشکیل میشود. لایه TGO اکسید محافظی است که مقاومت به اکسیداسیون را تأمین میکند. 
به‌واسطه جاهای خالیای که در شبکه کریستالی خود دارد قابلیت نفوذ اکسیژن را فراهم میکند و نمیتواند مقاومت به اکسیداسیون را افزایش دهد. بـرای رفع این مشکل از پـوششهای سد نفوذی استفاده میشود به این طریق که یک لایه محافظ در برابر اکسیداسیون بین MCrAlY و YSZ و یا روی YSZ قرار میگیرد تا نفوذ اکسیژن کم شود و نقیصهی ZrO2 را جبران کند [3 و 5]. از مهم‌ترین ویژگیهای پوششهای سد نفوذی تراکم بالا برای کاهش ضریب نفوذ اکسیژن، نقطه ذوب و پایداری دمایی مناسب و همچنین عدم رخداد استحاله فازی همراه با تغییر حجم زیاد میباشد. تحقیقات زیادی در مورد ترکیباتی مانند Al2O3، La2O3، SiC و HfO2 بهعنوان یک لایه سد نفوذی و یا افزودن چنین ترکیباتی با درصدهای مختلف با YSZ انجام شده است [6]. نتایج نشان دادند که اعمال یک لایه آلومینا روی زیرکونیا و یا استفاده از ذرات آلومینا در ساختار YSZ در بهبود خواص پوششهای سپر حرارتی مؤثر است. آلومینا به‌واسطه‌ی دمای ذوب و پایداری حرارتی کافی و نیز فشردگی ساختاری مناسب برای کاهش ضریب نفوذ اکسیژن برای این منظور مناسب هستند. آلومینا مي‌تواند هم درون شبکه زیرکونیا حل شود و هم بهصورت ذرات فاز دوم در ساختار زیرکونیا حضور یابد و باعث بهبود خواص آن شود [7]. ترکیب عمده پوشش آلومینای تشکیل شده با فرآیند پاشش پلاسمایی اتمسفری Al2O3–α است که این ترکیب در مقایسه با ZrO2 هیچ تغییر فازی ندارد و وجود ذرات آلومینا بهصورت کامپوزیتی اطراف ZrO2 باعث ایجاد تنشهای فشاری در ساختار میشود که میتواند از استحاله فازی زیرکونیا نیز جلوگیری کند [8]. همچنین ذرات آلومینا در لایه سرامیکی بهعنوان یک لایه سد نفوذی عمل کرده و باعث جلوگیری از رشد لایه TGO در حین اکسیداسیون بلندمدت میشود. مشاهده شد که ضخامت لایه TGO پوششهای کامپوزیتی حاوی ذرات آلومینا حدود 75-25% نسبت به پوششهای بدون آلومینا کمتر است [9]. علاوه بر این مشخص شده است که افزودن آلومينا بهصورت کامپوزیت ذرهای، به مقدار زيادي هدايت حرارتي پوشش YSZ را كاهش ميدهد [10]. همچنين لیانگا و همکاران5 [11] مورفولوژي اسپلت تشكيل شده روي سطح شيشه را براي ذرات كامپوزيتي ZrO2–Al2O3 مورد مطالعه قرار دادند و مشاهده كردند كه مورفولوژي اسپلت، به شكل ديسك تا حدي منظم است كه بيانكننده پهن شدن مناسب ذره و اتصال قوي است؛ از این رو کامپوزیتهای زیرکونیا-آلومینا به دلیل خواص مکانیکی و حرارتی بسیار خوب، کاربردهای گسترده‌ای بهعنوان سرامیک ساختاری یا پوششهای محافظتی پیدا کردهاند. علاوه بر این برخی گزارش‌ها نشان میدهند که پوششهای نانوساختار زیرکونیا-آلومینا دارای سختی، چقرمگی شکست و مقاومت به سایش بالاتری هستند [12-13]. مشخص شده است كه افزايش مقدار Al2O3 به ZrO2 تا حدود 40 درصد جرمي یک ترکیب یوتکتیکی را تشکیل میدهد که نقطه ذوب ترکیب موردنظر کمتر از نقاط ذوب زیرکونیای خالص (°C 2700) و آلومینای خالص (°C 2050) است [13]؛ لذا ذرات با این ترکیب یوتکتیک به‌راحتی ذوب میشوند و میتوانند با ایجاد پوششی با تراکم بالاتر از TBC معمولی در افزایش مقاومت به اکسیداسیون پوششها نیز مؤثر باشند.
استفاده از پوششهای پاشش پلاسمایی اتمسفری6 برای قطعات با بیشترین میزان بارگذاری در داخل توربین نظیر پرهها و تیغهها مستلزم مقاومت بالای لایه سرامیکی پوشش در برابر شوک حرارتی است. پوششهای APS اغلب به‌واسطه‌ی تنشهای حرارتی که در حین چرخههای حرارتی جذب میکنند، پوسته میشوند. یکی از روشهای کاهش میزان تنشهای ذخیره‌شده، پوششهای متخلخل است که در آنها ترکهای میکرونی و حفرات، بخشی از تنشهای موجود را جذب میکنند [14]. روش دیگر برای کاهش میزان اثرات مربوط به تنشها، ایجاد ترکهای عمودی7 با حداقل طولی معادل با نصف ضخامت پوشش است [14-15]؛ زی و همکاران8 [16] پژوهشهایی را در زمینهی نحوهی تشکیل ترکهای عمودی در پوششهای حاصل از فرآیند پاشش پلاسمایی انجام دادند و به بررسی پارامترهای مؤثر در این زمینه پرداختند. نتایج نشان دادند که نیروی محرکهی تشکیل ترکهای عمودی با فاصله یکسان در پوششها، تنشهای کششی سطح است که میتواند ناشی از پیرولیز پیش ماده‌ی پیرولیز نشده باشد. هدف از پژوهش حاضر بررسی مقاومت به اکسیداسیون و شوک حرارتی پوشش YSZ-40%wtAl2O3/YSZ و مقایسه آن با TBC معمولی است. در این پژوهش برای اولین بار از ترکیب یوتکتیک YSZ-40%wtAl2O3بهعنوان یک پوشش سد نفوذی روی TBC استفاده شد و به بررسی چگونگی تشکیل و عملکرد ترکهای عمودی در آزمون اکسیداسیون و شوک حرارتی پوشش نانو YSZ-40%wtAl2O3 ایجاد شده روی YSZ با فرآیند پاشش پلاسمایی اتمسفری پرداخته شد.
2- مواد و روش تحقیق
2-1- مواد اولیه
در پـژوهش حـاضر جهت مطالعات ریـزساختاری و بررسیهای فازی از ديسك‌هایي از جنس فولاد زنگ نزن 420 AISI به قطر mm 25 و ضخامت mm 10 بهعنوان زيرلايه استفاده شد. برای نمونههای مورد استفاده در آزمون اکسیداسیون و شوک حرارتی که آزمونهایی حساس به زیرلایه هستند، قطعاتی از Hastelloy-x مورد استفاده قرار گرفتند. تصویر نمونههای مورد استفاده در آزمونهای مختلف در شکل 1 آورده شده است.
شکل (1): تصویر نمونههای مورد استفاده در آزمونهای مختلف: الف) بررسیهای ریزساختاری، ب) بررسیهای ضخامت سنجی و فازی و ج) آزمون اکسیداسیون و شوک حرارتی.
از پودر NiCrAlY (Amdry 962) برای ایجاد پوشش اتصال و پودر YSZ (PAC 2008P) جهت ایجاد پوشش رویی با فرآیند پاشش پلاسمایی اتمسفری استفاده شد. شکل 2 تصاویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از پودرهای مورد استفاده را نشان میدهد.
شکل (2): تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از مورفولوژی پودرهای مورد استفاده، الف) پودر Amdry 962 (NiCrAlY)، ب) پودر PAC 2008P (ZrO2-8%Y2O3).
در پژوهش حاضر از اكسي نيترات زيركونيم و نيترات ايتريم (از شرکت Sigma-Aldrich با فرمولهای شیمیایی مشخص شده در واکنش 1) بهعنوان مواد اوليه تشكيل محلول پيشماده YSZ استفاده شد. مقادير نسبي اين دو نمك به‌گونه‌اي در نظر گرفته شده كه بعد از پوشش دهی، تركيب نهايی 8%YSZ به دست آيد. براي اين منظور واكنش زير بهعنوان مبناي محاسبات در نظر گرفته شد:
واکنش (1) |
|
در 100 گرم ZrO2-8wt%Y2O3، 92 گرم ZrO2 و 8 گرم Y2O3 موجود است. لذا جهت تعيين مقدار لازم از اكسي نيترات زيركونيم و نيترات ايتريم ميتوان بهصورت زير عمل نمود (وزن مولكولي ZrO(NO3)2 برابر 2/231 گرم، وزن مولكولي Y(NO3)3.6H2O برابر 9/382، وزن مولكولي ZrO2 برابر 2/123 گرم و وزن مولكولي Y2O3 برابر 8/225 گرم است):
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||
2/123 2/231 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
g 6/172 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||
8/225 8/765 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
g 1/27 |
g 1/27 |
| g 2/54 |
|
|
|
ترکیب پوشش | جریان (A) | آرگون (l/min) | هیدروژن (l/min) | گاز حامل پودر (l/min) | نرخ تزریق پودر (g/min) | فاصله پاشش (mm) |
NiCrAlY | 450 | 45 | 12 | 3/2 | 40 | 12 |
YSZ | 450 | 35 | 12 | 3 | 35 | 80 |
YSZ-40%wtAl2O3 | 450 | 45 | 8 | 5/3 | 30 | 10 |
2-4- آماده‌سازي سراموگرافی
پس از انجام هر دسته از پوششدهی نمونهها، جهت مطالعات و بررسي‌هاي ریزساختاری، آمادهسازی سراموگرافی انجام شد. آمادهسازی سراموگرافی شامل پوليش كردن مقطع است. ازآنجایی‌که در نتیجهی فشار ناشي از آمادهسازی ممکن است پوشش از نمونه جدا شود. لذا براي حفاظت پوشش و آماده‌سازي بهتر، نمونهها در رزين اپوکسي مانت سرد و سطح آنها توسط سيستم پوليش اتوماتيک صاف شد. لازم به ذکر است به‌منظور جلوگیری از کندگیها و خراشهای عمیق در مقطع پوشش، عملیات سنبادهزنی از سنباده با درجه 1000 شروع و تا 4000 ادامه پیدا کرد.
2-5- آنالیز ساختاری و فازی
پس از پولیش زدن نمونهها، بررسي ريزساختاري نمونهها در ابتدا توسط ميكروسكوپ نوري Unimet مدل Union 8799 انجام شد. همچنین جهت مطالعات ريزساختاری به منظور مطالعه دقیقتر سطح و مقطع پوشش از میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی (FE-SEM) مدل MIRA3TESCAN-XMU مجهز به آناليزگر عنصری EDS استفاده شد؛ به همین منظور پیش از قرار دادن نمونهها زیر میکروسکوپ الکترونی روبشی سطح آنها با پوشش نانومتری طلا لایهنشانی شد. همچنین جهت آنالیز فازی پودر سنتز شده و پوششها از آنالیز پراشسنجی پرتو X (XRD) با استفاده از دستگاه XRD مدل PW1800 ساخت شرکت Philips با تابش CuKα با طول موج 54/1 آنگستروم انجام شد. برای تحلیل نتایج آزمون XRD، از نرمافزار Xpert HighScore Plus استفاده شد.
2-6- آزمون مقاومت در برابر اکسیداسیون
یکی از روشهای مرسوم و متداول برای بررسی مقاومت قطعات در برابر اکسیداسیون اندازهگیری میزان افزایش وزن بهصورت تابعی از زمان است. این روش بهطور خاص برای بررسی مقاومت در برابر اکسیداسیون نمونههایی که به روش پک سمنتاسیون که اغلب جهت ایجاد پوششهای نفوذی استفاده میشود، مناسب میباشد، چراکه در این حالت تمامی وجوه نمونهی موردنظر پوششدهی شدهاند؛ اما برای نمونههایی که در آنها یکی از وجوه پوشش دارد میزان خطای این روش قابل توجه خواهد بود. در پژوهش حاضر به‌منظور بررسی مقاومت پوشش در برابر اکسیداسیون، نمونههای سوپر آلیاژی مورد استفاده برای مدتزمانهاي متفاوت 50، 100، 150 و 200 ساعت در درون کورهی اتمسفری با دماي C˚ 1100 قرار داده شدند. در ادامه و پس از آمادهسازی مقطع نمونهها، اندازهگیری ضخامت لایه TGO با استفاده از میکروسکوپ نوری صورت پذیرفت و ضخامت لایه TGO تشکیل شده بین لایه سرامیکی و فلزی بهعنوان معیاری از مقاومت پوششها در برابر اکسیداسیون در نظر گرفته شد.
2-7- آزمون مقاومت در برابر شوک حرارتی
برای بررسی مقاومت پوششها در برابر شوکهای حرارتی، نمونههای دیسکی شکل پوششدهی شده برای مدتزمان 5 دقیقه در کورهی اتمسفری با دمای C˚ 1000 قرارگرفته و سپس با فروبردن در آب تا دمای محیط سرد شدند. وضعیت پوششها پس از تعداد مشخصی از سیکلهای حرارتی بهصورت ماکروسکوپی و میکروسکوپی مورد ارزیابی قرار گرفتند.
3- نتایج و بحث
3-1- بررسیهای ریزساختاری
شکل 4-الف و ب تصاوير ميكروسكوپي الکترونی ثانویه مربوط به آخرین لایه منجمد شده از پوشش
YSZ-40%wtAl2O3 حاصل از فرآیند APS را در بزرگنماییهای مختلف نشان میدهد. جهت دستیابی به پوشش نانوساختار، مقدار هیدروژن در پارامتر پوششدهی YSZ-40%wtAl2O3 نسبت به YSZ از 12 به 8 لیتر بر دقیقه در جهت کاهش میزان آنتالپی پلاسما کاهش یافت و میزان آرگون از 35 به 45 لیتر بر دقیقه در جهت افزایش سرعت جت پلاسما، افزایش یافت. در چنین شرایطی با کاهش میزان آنتالپی پلاسما و افزایش سرعت جت پلاسما و کاهش زمان ماندگاری ذرات در جت با دمای بالا، انتقال حرارت از جت پلاسما به ذرات تزریق‌شده کمتر شد؛ ازاین‌رو شرایط برای ایجاد پوشش نانوساختار در جت پلاسما مناسبتر خواهد بود.
همان‌طور که از نمای عمومی پوشش (شکل 4) مشاهده میشود، ریزساختار پوشش حاصل را میتوان حاوی دو مشخصهی متمایز در نظر گرفت. مشخصهی اول مربوط به ذرات پهن‌شده و یا به‌اصطلاح اسپلتهایی است که در پوشش ایجاد میشوند؛ مشخصهی دوم که نانوساختار بودن پوشش حاصل را به آن نسبت میدهند، ناشی از ذراتی است که قادر به جذب حرارت کافی در جت پلاسما نبوده و لذا در حالت ذوب نشده و یا بهصورت جزئی ذوب‌شده به زیرلایه میرسند. در این حالت، عدم رخداد ذوب سبب میشود که خصوصیات نانوساختاری پودرهای اولیه در ذرات ذوب نشده حفظ گردد. نواحی دربردارنده مشخصهی دوم در پوششهای ایجادشده تحت عنوان نانونواحی10 شناخته میشوند. این مشخصههای ساختاری در پژوهشهای بسیاری مشاهده شدهاند. همچنین به جهت اینکه این پوششها، متشکل از مخلوطی از نانونواحی و ذرات کاملاً ذوب‌شده هستند، برخی از محققان از آن تحت عنوان ساختار دونمایه11 یاد میکنند [17-19]. مواد نانوساختار به‌واسطه‌ی خصوصیات منحصربهفرد و جدیدی که ایجاد کردهاند، بهعنوان مرز علم مواد در عصر حاضر شناخته میشوند و بهبود قابل‌ملاحظه‌ای را در خواص مهندسي به دليل كاهش در ابعاد دانه نسبت به پوششهاي معمولي ارائه مي‌دهند. ازجمله‌ی این خواص میتوان به نسبت سطح به حجم و دانسیتهی بالای فصل مشترک‌ها در مواد نانوساختار نسبت به مواد درشتتر (برای مثال میکرو ابعاد) اشاره کرد. به علت کسر حجمی زیاد فصل مشترکهای داخلی، پوششهای نانوساختار میتوانند خواص بهتری نسبت به پوششهای متعارف از خود نشان دهند. در پوششهای پاشش حرارتی متعارف، ترکهای ایجادشده به‌واسطه‌ی اتصال ضعیف اسپلتها تمایل دارند که در راستای فصل مشترک اسپلتها رشد کنند؛ ولی برای پوششهای نانوساختار معمولاً اسپلتها دارای چسبندگی مناسبتری هستند؛ بنابراین رشد ترک در این شرایط محدودتر است [20].
بعد از دستیـابی بـه مشخصههـای نـانـوساختار، پوشش YSZ-Al2O3 تـا ضخامت موردنظر لایـهنشانی شد. شکل 5 تصاویـر میـکروسکوپـی الکتـرونی بـرگشتی از سطح مقطع پـوشش سپـر حرارتی معمولی و کامپـوزیت لایـهای YSZ-40%wtAl2O3/YSZ را نشان میدهد. در پوشش کامپوزیت لایهای، YSZ بین YSZ-40%wtAl2O3 و پوشش اتصال قرار دارد. همان‌طور که در شکل قابل‌مشاهده است، ناهمواریهایی در سطح این پوششها نیز وجود دارد. این ناهمواریها ناشی از سطح ذرهپاشی شده است. مورفولوژی سطح یک بستر ذره پاشی شده در سراسر آن متفاوت است و ناهمواریهای موجود در سطح بستر زیرلایه با اعمال پوشش به لایههای بالاتر انتقال پیدا کرده است. این نـاهمواریها در ایجاد قفل مکانيکي و بهبود چسبندگی لایههای پوشش حائز اهمیت است. همچنین در فصل مشترک پوشش اتصال و زیرلایه نواحی سیاه‌رنگی قابل‌مشاهده است که ميتوان گفت اين جزاير سیاه‌رنگ ذرات آلوميناي باقيمانده از عمليات ذره‌پاشي هستند كه جهت افزايش زبري سطح قبل از پوشش‌دهي و در فرايند آماده‌سـازي زيرلايه در فصل مشترك بهصورت ذرات باقیمانده وجود دارند. پراکندگی ذرات در نقشهی توزیع عناصر در شکل 5-ب در بیرونیترین لایه نشان میدهد که توزیع عناصر پوشش بهصورت مطلوب و یکنواخت انجام شده است. این موضوع اهمیت نحوهی ترکیب کردن مواد اولیه و مزیت تولید پودر کامپوزیتی از روش همرسوبی را نشان میدهد. در واقع توانایی اختلاط مولكولي محلول‌ها باعث میشود فرموله كردن ترکیبات چندجزیی بسیار ساده و با يكنواختي شيميايي بالا صورت پذیرد درحالی‌که مهنـدسي كردن خواص شيميـايي و فيزيكي ترکیب پوششهای کامپوزیتی با اختلاط پودرها در حالت جامد با یکنواختی بالا میسر نخواهد بود [21].
3-2- آنالیز فازی پودر و پوششهای حاصل از فرآیند پاشش پلاسمایی اتمسفری
شکل (6): الگوی XRD مربوط به پوشش YSZ، پودر اولیه YSZ-40wt%Al2O3 (حاصل از فرآیند همرسوبی) و پوشش YSZ-40wt%Al2O3 حاصل از فرآیند APS.
تغییر کسر حجمی فازهای موجود و یا درصد بلورینگی در ریـزساختار پـوشش تغییراتی را در شدت پیکهـا ایجاد مینماید؛ به عبارت دیگر، با توجه به‌شدت نسبی پیکها، میتوان مقدار نسبی فازها و یا درصد بلورینگی را در یک ترکیب مشخص کرد [22]. در تصاویر ضمیمه شده در شکل 7، الگوی XRD موجود در ˚36 -29 =θ2، ˚52 -49 =θ2، ˚64 -59=θ2 و ˚77 -71=θ2 آورده شده است. مقایسهی الگوهای پراش در شکل 7 نشان میدهد که در تمامی زوایای مشخص شده، شدت پیکهای حاصل از پوشش YSZ-40wt%Al2O3 با فرآیند APS کمتر از پودر YSZ-40wt%Al2O3 است. کاهش شدت پیکها در پوشش YSZ-40wt%Al2O3 دلالت بر تشکیل بخشی از ساختار به شکل آمورف و کاهش درصد بلورینگی پوشش در مقایسه با پودر اولیه دارد. در واقع علاوه بر خطاهای دستگاهی، آنچه که در آنالیز فازی با پراش پرتو X باعث پهن شدن پیک میشود، اندازه دانه و تنشهای غیر همگن در ساختار یک ماده میباشد. با ریزدانگی یا ایجاد ساختار نانو در پوششها، نظم کریستالی کم دامنه شده و در این صورت با کاهش تعداد صفحات هم‌خانواده، پراشهایی که در نتیجهی آن تداخل سازنده اتفاق میافتند، کمتر خواهد شد. در چنین شرایطی شدت پیک مربوط به خانواده صفحات موردنظر کاهش و پهنای پیک افزایش مییابد [22]؛ ولی در مورد پودر و پوشش YSZ-Al2O3 که هر دو نانو هستند، به نظر میرسد انجماد سریع نانو ذرات YSZ-Al2O3 (قبل از کریستالی شدن برخی ذرات) و تشکیل فاز آمورف باعث کاهش شدت پیکها در مقایسه با آنالیز پودر موردنظر در زوایای مشابه شده است. با توجه به اینکه در فازهای شیشهای یا آمورف فاصله صفحات کریستالی تعریف نمیشود، مطابق با قانون براگ نمیتواند پراشی از این فازها صورت بگیرد؛ از این رو شدت پیک برای ترکیباتی که حاوی فاز آمورف هستند، کاهش مییابد. دلیل دیگری که میتواند باعث شود شدت پیکهای حاصل از پوشش نسبت به پودر با ترکیب یکسان، کمتر باشد، فراوانی پراش است. در واقع پوشش از تجمع اسپلتها روی هم شکل میگیرد و در آنالیز XRD پوششها، پرتو X تا عمق مشخصی از ضخامت پوشش نفوذ میکند و تداخل سازنده پراش این لایهها ثبت میشود؛ درحالی‌که در آنالیز XRD پودر، جهتگیری تصادفی صفحات کریستالی و در نتیجه فراوانی پراش بیشتر از پوشش است که منجر به افزایش شدت پیکهای الگوی حاصل از پودرها نسبت به پیکهای متناظر از پوشش خواهد شد.
شکل (7): الگوی XRD مربوط به پودر و پوشش YSZ-40wt%Al2O3: تصاویر ضمیمه شده مربوط به زوایای ˚36 -29 =θ2، ˚52 -49 =θ2، ˚64 -59=θ2 و ˚77 -71=θ2 است.
اثر زمینه در الگوی پراش نیز نشاندهنده وجود فاز آمورف در رسوب پیشماده است. با دقت بیشتر در الگوهای پراش و بـررسی طیـف زمینه در تصاویـر ضمیمه شده مشـاهده میشود که در کل الگوی پراش، در تمامی زوایا، شدت طیف زمینهی مربوط به پوشش، مساوی و یا بیشتر از ماده پودری میباشد که این موضوع را هم میتوان تأییدی بر کاهش میزان کریستالی شدن پوشش YSZ-40wt%Al2O3 اعمال شده با فرآیند APS دانست.
3-3- نتايج اندازه‌گيري مقاومت پوششها در برابر اكسيداسيون دماي بالا
شكل 8 تغيير ضخامت لايه TGO تشكيل شده روي پوشش اتصال برحسب زمان اکسیداسیون را براي پوشش سپر حرارتی معمولی و پوشش YSZ-40%wtAl2O3/YSZ با فرآیند APS را نشان ميدهد. هر نقطه اندازه‌گيري شده روي منحني نماينده ميانگين 20 اندازه‌گيري ضخامت لايه TGO است. ميتوان مشاهده كرد كه با افزايش زمان اكسيداسيون، ضخامت لايه TGO افزايش مي‌يابد؛ ولی نرخ رشد لايه TGO در زمان‌هاي طولاني‌تر اكسيداسيون كاهش پيدا ميكند. در حقیقت در زمانهای پایین سرعت اکسیداسیون زیاد است و با گذشت زمان سرعت اکسیداسیون کمتر میشود که این موضوع نشاندهنده این است که تشکیل لایه TGO نقش حفاظتی دارد. در ابتداي اكسيداسيون نفوذ به‌طرف داخل O2 و نفوذ به‌طرف خارج Al در فصل مشترك پوشش اتصال و YSZ به‌سادگی انجام ميشود. بعد از تشكيل لايه TGO نرخ نفوذ اين عوامل و در نتيجه تشكيل TGO كاهش مي‌يابد.
از شکل 8 ميتوان مشاهده كرد كه مقاومت پوشش YSZ-40%wtAl2O3/YSZ ایجادشده در برابر اكسيداسيون بيشتر از پوشش سد حرارتی معمولی است. همان‌طور که اشاره شد، يك عامل تعیین‌کننده رشد لایه TGO، نفوذ O2 از پوشش رويي است؛ به‌طوری‌که براي ادامهی اكسيداسيون، لازم است كه O2 به فصل مشترك NiCrAlY و پوشش سراميكي نفوذ كند. اين نفوذ مي‌تواند به دو روش انجام شود: از طريق يون‌ها و از طريق مولكول‌ها. نفوذ يوني از طريق مكان‌هاي خالي در شبكه و نفوذ مولكولي از طريق مرزدانه يا ساير عيوب در ساختار پوشش انجام ميشود [23-24]. تحت شرايط كاري يك TBC در توربين گازي، انتقال اكسيژن از پوشش رويي توسط نفوذ گاز بر نفوذ يوني غلبه ميكند [25]. در پوشش YSZ-40%wtAl2O3/YSZ با توجه به اینکه در ترکیب یوتکتیک YSZ-40%wtAl2O3 نقطهی ذوب کاهش مییابد، پوشش حاصل از مقدار اسپلتهایی بیشتر و با درجهی پهنشدگی بالاتری شکل میگیرد که باعث میشود فشردگی ساختار و تماس مناسب بين اسپلت‌هاي تشکیل شده افزایش یابد. این امر باعث كاهش نفوذ مولكول‌هاي اكسيژن میشود و در جهت كاهش ضخامت لايه TGO نیز عمل میكند.
شکل 9 تصاویر میکروسکوپی الکترونی برگشتی از مقطع نمونههای پوشش TBC معمولی به همراه نقشه توزيع عناصر پوشش بعد از 200 ساعت در دمای C˚ 1100 با فرآیند APS را نشان میدهد. با توجه به مطالعات انجام شده توسط دیگر محققان، رنگهاي روشن، خاکستري و تيره به ترتيب نشاندهنده فازهاي γ´/γ، NiAl (β) و فاز اکسیدی هستند. فاز γ محلول جامدی از زمینه آلیاژ (پایه نیکل) است و فاز γ´، Ni3Al میباشد. فاز بین فلزی NiAl يک فاز آلومينايدي غني از آلومينيم است که بهعنوان عامل مقاومت به اکسيداسيون در پوشش محسوب ميشود. آلومينيم به دليل تشکيل لایه اکسيدي محافظ TGO جزء عناصر محافظ در پوشش محسوب ميشود و نيکل زمينه پوشش را تشکيل ميدهد. لازم به ذکر است که در پوشش اتصال، آلومينيم موردنیاز جهت تشکيل قشرهاي محافظ آلومينايي به ميزان بسيار زيادي توسط فاز مونوآلومينايدي در طول عمر مفيد اين پوششها تأمين ميگردد. در واقع در اين پوششها فاز بين فلزي NiAl بهعنوان يک ذخيره آلومينيم براي تشکيل لايه اکسيدي محافظ آلومينا عمل ميکند و تخليه آلومينيم در پوشش نشاندهنده تخليه پوشش از فاز β–NiAl است [26-27]. بهطور طبیعی تشکیل و رشد لایه اکسیدی بر روی سطح پوشش اتصال با مصرف بخشی از عناصر این پوشش همراه است؛ Al در حین سرویس‌دهی جهت حفاظت و تشکيل اکسيد محافظ از پوشش به فصل مشترک لایه سرامیکی و پوشش اتصال نفوذ ميکنند؛ بنابراین زمان‌هاي طولاني قرار گرفتن در دماهاي بالا تخليه Al به‌طرف TGO را نتيجه ميدهد.
با توجه به تصویر ایجاد شده شکل 9 برای رگههای قابل‌مشاهده در فصل مشترک پوشش اتصال و پوشش رویی (TC/BC 12)، برای پوشش TBC معمولی به نظر میرسد که حداقل دو فاز اکسیدی به رنگهای سیاه و خاکستری در تصاویر دیده میشوند. همان‌طور که اشاره شد در پوششهاي اتصال، فاز β–NiAl بهعنوان ذخيره آلومينيم براي تشكيل لايه اكسيدي آلوميناي محافظ عمل ميكند و با افزایش زمان اکسیداسیون به دليل افزایش مقدار اکسيد، مقدار آلومينيم موجود در پوشش اتصال کمتر شده و پوشش از فاز NiAl (β) كه تأمین‌کننده آلومينيم است فقیرتر میشود. در چنین شرایطی به دليل کاهش آلومينيم موجود در پوشش مذکور امکان تشکيل لايه اکسيد محافظ آلومينيم (α-Al2O3) که نقش محدود کردن تخريبهاي ناشي از اکسیداسیون در دماي بالا را دارد، کم ميشود. با این توضیح و با توجه به مطالعات صورت گرفته [20]، در اکثر سیستمهای سپر حرارتی متشکل از لایهی اتصال حاوی آلومینیم، ضمن قرارگیری در دمای بالا، ابتدا لایهی نازک اکسیدی با فاز غنی از α-Al2O3، در فصل مشترک TC/BC تشکیل میشود. در ادامه، با تداوم اکسیداسیون و هم‌زمان با رشد لایه TGO، اکتیویتهی آلومینیم در پوشش اتصال و در مجاورت فصل مشترک TC/BC کاهش‌یافته و به کمتر از حد موردنیاز برای تشکیل آلومینا میرسد. در این شرایط، کاهش اکتیویتهی آلومینیم هم‌زمان با افزایش اکتیویتهی اکسیژن در ساختار، سبب میشود تا اکسید سایر عناصر آلیاژی موجود شروع به شکلگیری کرده و با اسپینلهای (Co,Ni)(Cr,Al)2O4، α-Cr2O3 و بـه ندرت NiO آغاز میشود؛ بنابراین با توجه به مطالب ذکرشده و نیز مشاهدات صورت گرفته توسط سایر پژوهشگران [28]، به نظر میرسد که لایهی اکسیدی تیره که در بالای پوشش اتصال تشکیل شده، فاز غنی از α-Al2O3 است و رگههای روشنتر قابل‌مشاهده در زیر پوشش سرامیکی، اکسیدهای غیر از α-Al2O3 و عمدتاً اسپینلهای حاوی Cr، Ni و Al هستند. با توجه به اینکه عناصر تشکیل‌دهنده اسپینلها سنگینتر از Al هستند، اکسیدهای آنها بهصورت فاز روشنتر نسبت به α-Al2O3 در TGO مشاهده میشوند. نکته قابل توجه این است که در ناهمواریها به‌خصوص در برآمدگیها سطح بیشتری نسبت به نواحی هموار وجود دارد؛ بنابراین در ابتدا ضمن تشکیل یک لایه پیوسته TGO میزان آلومینیم بیشتری مصرف میشود، درنتیجه اکتیویته آلومینیم در مجاورت ناهمواریها سریعتر کاهش‌یافته و به کمتر از حد موردنیاز برای تشکیل آلومینا میرسد؛ لذا در این سطوح تشکیل اسپینل زودتر آغاز میشود و TGO در این نقاط ضخیمتر خواهد شد. در ادامه مکانیزم تشکیل ترکهای عمودی در پوشش YSZ-40%wtAl2O3 در زمانهای مختلف آزمون اکسیداسیون مورد بحث قرار میگیرد.
شکل 10 تصاویر میکروسکوپی الکترونی برگشتی از مقطع نمونه YSZ-40%wtAl2O3/YSZ با فرآیند APS را بعد از 50 ساعت اکسیداسیون در دمای C˚ 1100 نشان میدهد. همان‌طور که مشاهده میشود یک لایه پیوسته TGO در فصل مشترک پوشش اتصال/YSZ تشکیل شده است. همچنین در اين شكل ترك عمودي در راستای ضخامت پوشش YSZ-40%wtAl2O3 مشاهده ميشود. بايد توجه كرد كه مكانيزم تشكيل اين ترك‌هاي عمودي متفاوت با آن چيزي است كه در پوششهای سد حرارتی متراكم حاوی ترك‌هاي عمودي13 مشاهده ميشود. DVC كه توسط تیلور و همکاران14 [29] توسعه داده شد ترك‌هاي عمودي را در حين لايهنشاني با تنش‌هاي حرارتي لايه‌هاي مكرر پوشش و به دنبال آن سرد شدن بعدي به دست مي‌آورند و فقط در پوششهاي با دانسيته بيشتر از 88% يا بالاتر رخ مي‌دهند. پژوهشهایی در زمینهی نحوهی تشکیل ترکهای عمودی در پوششهای سپر حرارتی با پیشماده پیرولیز نشده انجام گرفته است [30-31]. لیانگزی و همکاران [16] نشان دادند كه منشأ اين ترك‌ها پيروليز پيشماده باقيمانده در ساختار پوشش در نتيجهی حرارت منتقلشده به پوشش در حين فرايند لايهنشاني از تفنگ پلاسما و يا قرار گرفتن در دماي بـالا در حيـن سرويس يـا عمليات حرارتي بعد از لايهنشاني است. مطابق با شکل 5-ب، بعد از لایهنشانی تقریباً mµ 140 پوشش با فرآیند APS، اثری از تشکیل ترکهای عمودی مشاهده نشد. در واقع در حين لايهنشاني، زماني كه درجه حرارت بيشتر از دماي تجزيه پيشماده باشد، پیشمادههای پیرولیز نشده موجود در پوشش شروع به تجزيه شدن مي‌كنند. زماني كه تنش كششي ايجاد شده در نتيجه تجزيه پيشماده بيشتر از استحكام كششي پوشش باشد، ترك‌هاي عمودي در پوشش رويي به وجود مي‌آيد؛ از این رو پیرولیز پیشماده با شدت بیشتری در پوششهای با ضخامت زیاد رخ میدهد. این امر به‌واسطه زمان پاشش طولانیتر و دمای بالاتر پوشش است که سبب افزایش تمایل به تشکیل ترکهای عمودی میشود [16]؛ ولی در مورد پوشش مذکور به دلیل ضخامت کم پوشش و عبورهای متوالی کمتر مشعل پلاسما، دمای منتقل شده از جت پلاسما کمتر از دمای لازم برای تجزیه پیشماده است؛ لذا تنشهای حاصل از پیرولیز پیشماده در پوشش برای ایجاد ترکهای عمودی در آن کافی نبوده و اثری از ترک در پوشش بعد از لایهنشانی مشاهده نشد. در مقابل مشاهده ترك‌ها در ساختار پوشش بعد از اکسیداسیون نشان ميدهد كـه علیرغم عملیـات حرارتی پـودر مـوردنظر قبـل از لایه نشانی و گرمای منتقلشده به پوشش و زيرلايه از عبورهای متوالی مشعل پلاسما هنوز هم پيشماده پيروليز نشده در ساختار پوشش نیز وجود داد. نتایج حاصل از XRD از شکل 6 وجود پیشماده پیرولیز نشده در ساختار پوشش را بعد از لایهنشانی تأیید میکند.
شکل 11 و 12، به ترتیب تصاویر میکروسکوپی الکترونی برگشتی از مقطع نمونه YSZ-40%wtAl2O3 با فرآیند APS را بعد از 100 و 150 ساعت اکسیداسیون در دمای C˚ 1100 در بـزرگنماییهـای مختلف نشان میدهد. بـا مقایسهی این شکلهـا بـا شکل 10 (بعد از 50 ساعت اکسیداسیون) مشاهده میشود کـه با افزایش زمان اکسیداسیون تعداد تـرکهـای عمودی در راستای ضخامت برای پوشش YSZ-40%wtAl2O3 افزایش‌یافته است. همان‌طور که اشاره شد، انقباض حجمی و تنش‌هاي كششي ناشي از پيروليز پيشماده كه در حين لايهنشاني پوشش يا عمليات حرارتي بعدي توسعه پيدا مي‌كنند، بهعنوان اصلیترین دلیل تشکیل ترکهای عمودی با فاصله تقریباً یکسان شناخته میشود. افزایش تعداد ترکها با افزایش زمان اکسیداسیون، به این دلیل است کـه در هـر مرحله از اکسیداسیون بخشی از پیشماده بهصورت پیرولیز نشده از مرحله قبل باقیمانده است. در چنین شرایطی با توجه به اینکه میزان انقباض حجمی وابسته به میزان پیشماده پیرولیز نشده در پوشش است، با افزایش زمان اکسیداسیون و ادامه تجزيه پيشماده باقیمانده، تنشهای کششی بزرگ‌تر شده و نیرو محرکهی تشکیل ترك‌ها افزایش مییابد.
شکل 13 تصاویر میکروسکوپی الکترونی برگشتی از مقطع نمونه YSZ-40%wtAl2O3 با فرآیند APS را بعد از 200 ساعت اکسیداسیون در دمای C˚1100 نشان میدهد. همان روند طی شده در زمانهای قبلی اکسیداسیون (50، 100 و 150 ساعت)، در 200 ساعت نیـز صادق است.
وجود تـرکهای عمـودی بعـد از عملیـات حرارتی پوششهای سپر حرارتی نیز توسط چن و همکاران15 [32] مشاهده شد. اين ويژگي در مقاومت پوششها در برابر شوك حرارتي اهميت دارد كه در بخش بعدی پژوهش مورد بررسي قرار خواهد گرفت.
3-4- نتايج اندازه‌گيري مقاومت پوششها در برابر شوک حرارتی
در ارزیابی پوششها در آزمون شوک حرارتی، از هر سری نمونهها 2 نمونه به‌منظور بررسی نقش مشخصههای ساختاری بـر مقاومت در برابر شوک حرارتی در نظر گرفته شد. نمونههای پوششدهی شده پس از 5 دقیقه قرار گرفتن در دمای °C1000 به‌سرعت در آب با دمای محیط سرد شده و سیکلهای حرارتی تا تخریب نسبی پوششها ادامه یافته است. شکل 14 تصاویر ماکروسکوپی و میکروسکوپی از نمونه با پوشش سپر حرارتی معمولی با فرآیند APS را در سیکلهای مختلف شوک حرارتی در امتداد خط برش نشان میدهد. شکل 14-الف و ب مربوط به تصاویر بعد از 100 سیکل و شکل 14-ج و د بعد از 160 سیکل حرارتی است. نتایج نشان میدهند که با افزايش سيكل‌ها ترك‌ها توسعه پيدا مي‌كنند و در نهایت به ايجاد كندگي در پوشش مي‌انجامد. بهطور معمول، تخریب پوشش با جوانهزنی ترکهای میکروسکوپی از لبهی پوشش سرامیکی آغاز و در ادامه به بخشهای مجاور گسترش‌یافته است درحالی‌که بخشهـای میـانی پوشش، کماکان اتصال خود را حفظ میکنند. آغاز تخریب از این مناطق به‌واسطه‌ی سرمایش شدید و تنشهـای حرارتی است که در گوشهی نمونهها ایجاد میشوند [33].
همان‌طور که از شکل 14 مشاهده میشود بعد از 100 سیکل ترک عرضی در بین لایههای پوشش YSZ ایجاد شده و با ادامه آزمون تا 160 سیکل حرارتی رشد و به هم پیوستن ترکها سبب لایهلایه شدن پوشش شد. استحکام ضعیف بین لایههای پوشش، اکسیداسیون پوشش اتصال، تنشهای حرارتی ناشی از وجود گرادیان دمایی و همچنین اختلاف در ضرایب انبساط حرارتی، چهار منبع اصلی ایجاد تنش در پـوشش محسوب میشوند که میتوانند منشأ ترک باشند [34]. با توجه به مشاهدات صورت گرفته و نتایج مربوط به آزمون اکسیداسیون همدما، به نظر میرسد که عامل اصلی تخریب پوشش YSZ لایه نشانی شده در برابر شوك حرارتي، رشد لایه TGO و گرمایش/سرمایش سریع بوده است. همچنین مطالعات انجام‌گرفته نشان میدهند که اختلاف ضریب انبساط حرارتی بین پوشش اتصال و YSZ میتواند عامل جوانهزنی ترک در فصل مشترک پوشش NiCrAlY/YSZ باشد که با ادامه سیکلهای حرارتی برای رهـاسازی این تنشهـا در اسپلتهای ترد زیرکونیایی ترکهایی ایجاد میگردد [35].
شکل (14): نمونه با پوشش سپر حرارتی معمولی بعد از آزمون شوک حرارتی، الف) تصویر ماکروسکوپی از نمونه دیسکی شکل، ب) تصویر میکروسکوپی الکترونی از مقطع عرضی نمونه بعد از 100 سیکل، ج) تصویر ماکروسکوپی از نمونه دیسکی شکل، د) تصویر میکروسکوپی الکترونی برگشتی بعد از 160 سیکل.
شکل 15 تصاویر ماکروسکوپی و میکروسکوپی از نمونه با پوشش YSZ-40%wtAl2O3/YSZ با فرآیند APS را در سیکلهای مختلف شوک حرارتی در امتداد خط برش نشان میدهد. شکل 15-الف و ب مربوط به تصاویر بعد از 100 سیکل و شکل 15-ج و د بعد از 160 سیکل حرارتی است. از مقایسه شکل 15 با شکل 14 در سیکلهای حرارتی یکسان، میتوان دریافت که اعمال یک لایهی YSZ-40%wtAl2O3 روی YSZ میتواند در كاهش منابع تنش‌هاي باقيمانده مؤثر باشد و تشكيل ترك‌های افقی را به تأخیر بیندازد. این امر باعث میشود که پوشش YSZ که بهعنوان جز اصلی TBC عمل میکند، دوام بیشتری داشته باشد. در شکل 15-ب در بیرونیترین لایهی پوشش که مربوط به YSZ-40%wtAl2O3 است، ترکهای عمودی نیز در ساختار پوشش وجود دارد. به‌طورکلی تنشهای حاصل بـرای پـوشش YSZ-40%wtAl2O3/YSZ را میتـوان تنشهای ناشی از پیرولیز پیشماده، گرمایش/سرمایش شدید و اختلاف ضریب انبساط حرارتی در نظر گرفت. با توجه به اینکه ترکیب اصلی پوشش YSZ-40%wtAl2O3 با YSZ یکسان بوده و همچنین ترکهای موجود افقی نبوده و بهصورت عمودی و در راستای ضخامت پوشش اتفاق افتاده است؛ از این رو به نظر میرسد که تنشهای حاصل از اختلاف ضریب انبساط حرارتی کـم بـوده و تنشهای عملکننده تا این سیکلهای حرارتی، پیشماده پیرولیز نشدهای است که با گرمایش/سرمایش سریع تشدید شده و منجر به ایجاد ترکهای عمودی شده است. قابليت مناسب ترکهای عمودی از نظر تحمل تنشها، توانايي پوشش جهت آزادسازی تنشها و تحمل كرنش‌هاي حرارتي ايجاد شده در حين سيكل‌هاي حرارتي را افزايش داده و در نهایت به شکل دوام افزایش‌یافته ظاهر میشود. بعد از 160 سیکل حرارتی، ترکهایی عرضی در پوشش YSZ قابل‌مشاهده است کـه میتـواند به دلیل گرمایش/سرمایش شدید و تنشهای حاصل از رشد لایه TGO باشد. در واقع تنش‌هاي پسماند قابلملاحظه‌اي مي‌تواند در نتیجهی عدم تطابق ضرايب انبساط حرارتي توسعه پيدا كند كه لايه‌هاي زيركونيا را در معرض تنش كششي قرار ميدهد و تشكيل ترك‌هاي عرضي را نتيجه ميدهد.
شکل (15): نمونه با پوشش YSZ-40%wtAl2O3/YSZ بعد از آزمون شوک حرارتی، الف) تصویر ماکروسکوپی از نمونه دیسکی شکل، ب) تصویر میکروسکوپی الکترونی برگشتی بعد از 100 سیکل، ج) تصویر ماکروسکوپی از نمونه دیسکی شکل، د) تصویر میکروسکوپی الکترونی برگشتی بعد از 160 سیکل.
4- نتیجهگیری
در این پژوهش ترکیب یوتکتیک YSZ-40%wtAl2O3 بهعنوان یک پوشش سد نفوذی روی TBC اعمال شد و با بررسی چگونگی تشکیل و عملکرد ترکهای عمودی در آن، مقاومت به اکسیداسیون و شوک حرارتی پوشش
YSZ-40%wtAl2O3/YSZ با TBC معمولی مقایسه شد. مهم‌ترین نتایج این پژوهش را میتوان به شرح زیر خلاصه کرد:
1) نتایج XRD نمونههای YSZ و YSZ-40%wtAl2O3 نشان داد که پيکهای اصلی مربوط به پوشش YSZ-Al2O3 و YSZ، ZrO2 تتراگونال بوده و تشخیص پیکهای مجزا مربوط به Y2O3 و Al2O3 به دلیل تشکیل محلول جامد Y2O3 و Al2O3 در ساختار ZrO2 امکان‌پذیر نباشد.
2) انجماد سریع نانو ذرات YSZ-Al2O3 و تشکیل فاز آمورف باعث کاهش شدت پیکها در مقایسه با آنالیز پودر YSZ-Al2O3 در زوایای مشابه شد. همچنین فراوانی پراش بیشتر پودر نسبت به پوشش، دلیل دیگری برای افزایش شدت پیکهای الگوی حاصل از پودر YSZ-Al2O3 نسبت به پیکهای متناظر از آن پوشش معرفی شد.
3) پیرولیز پیشماده در پوشش YSZ-40%wtAl2O3 تشکیل شده در حین فرآیند پاشش لایههای بعدی منجر به انقباض حجمی و ایجاد تنشهای کششی در ساختار پوشش میشود که بهعنوان اصلیترین دلیل تشکیل حفرات در ریزساختار این پوشش شناخته میشود.
4) با افزایش زمان اکسیداسیون و ادامه تجزيه پيشماده باقیمانده، تنشهای کششی در پوشش YSZ-40%wtAl2O3/YSZ بزرگ‌تر شده و نیرو محرکهی تشکیل ترك‌ها افزایش یافت که تعداد بیشتر ترکها با افزایش زمان اکسیداسیون را به همراه داشت.
5) در پوشش YSZ-40%wtAl2O3/YSZ با توجه به اینکه در ترکیب یوتکتیک YSZ-40%wtAl2O3 نقطهی ذوب کاهش مییابد، پوشش حاصل از مقدار اسپلتهایی بیشتر و بـا درجـهی پهنشدگی بالاتری شکل میگیرد که باعث میشود فشردگی ساختار و تماس مناسب بين اسپلت‌هاي تشکیل شده افزایش یابد. این امر باعث كاهش نفوذ مولكول‌هاي اكسيژن شد و ضخامت لايه TGO را به میزان 6/18 درصد نیز کاهش داد.
6) در نمونه با پوشش YSZ-40%wtAl2O3 قابليت مناسب ترکهای عمودی از نظر تحمل تنشها، توانايي پوشش جهت آزادسازی تنشها و تحمل كرنش‌هاي حرارتي ايجاد شده در حين سيكل‌هاي حرارتي را افزايش داد.
5- مراجع
[1] R. Vassen, A. Stuke & D. Stöver, "Recent developments in the field of thermal barrier coatings", Journal of thermal spray technology, vol. 18, pp. 181-186, 2009.
[2] ر. سحرخیز، ض. والفی، م. میرجانی و س تقی رمضانی، "مقایسه ریزساختار و مقاومت به اکسیداسیون دما بالای پوششهای NiCrAlY ایجاد شده به روش پاشش پلاسمایی اتمسفری (APS) و پاشش پلاسمایی با غلاف جامد محافظ (SSPS)"، فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 15، شماره 2، صفحه 82-65، 1400.
[3] S. Taghi-Ramezani, Z. Valefi, M. Mirjani & R. Ghasemi, "The influence of pyrolysing Al2O3 precursor on the high temperature properties of the YSZ-Al2O3 composite coating", Surface Engineering, vol. 37, no. 8, pp. 991-1001, 2021.
[4] س. تقی رمضانی، ض. والفی، ن. احسانی و م. میرجانی، "مقایسه خواص اکسیداسیون و شوک حرارتی پوششهای سپر حرارتی کامپوزیتی YSZ/Nano-Al2O3 با آلومینای ایجاد شده از فرآیند پاشش پلاسمایی پودر پیشماده پیرولیز نشده و پودر کریستالی نانوآگلومره"، فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 15، شماره 3، صفحه 15-1، 1400.
[5] A. Keyvani, M. Saremi & M. H. Sohi, "Oxidation resistance of YSZ-alumina composites compared to normal YSZ TBC coatings at 1100 C", Journal of alloys and compounds, vol. 509, no. 33, pp. 8370-8377, 2011.
[6] س. تقی رمضانی، ض. والفی و ن. احسانی، "بررسی خواص اکسیداسیون و شوک حرارتی پوشش سپر حرارتی کامپوزیتی YSZ/Al2O3 با آلومینای ایجاد شده با فرآیند پاشش حرارتی محلول پیشماده"، فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 14، شماره 4، صفحه 90-77، 1399.
[7] A. Keyvani, "Microstructural stability oxidation and hot corrosion resistance of nanostructured Al2O3/YSZ composite compared to conventional YSZ TBC coatings", Journal of Alloys and Compounds, vol. 623, pp. 229-237, 2015.
[8] A. Keyvani, 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, vol. 600, pp. 151-158, 2014.
[9] A. C. Karaoglanli, E. Altuncu, I. Ozdemir, A. Turk & 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, vol. 205, pp. S369-S373, 2011.
[10] X. Guo, "Space-charge conduction in yttria and alumina codoped-zirconia 1", Solid State Ionics, vol. 96, no. 3-4, pp. 247-254, 1997.
[11] B. Liang, H. Liao, Ch. Ding & Ch. Coddet, "Nanostructured zirconia–30 vol.% alumina composite coatings deposited by atmospheric plasma spraying", Thin Solid Films, vol. 484, no. 1-2, pp. 225-231, 2005.
[12] M. Saremi, Z. Valefi & N. Abaeian, "Hot corrosion, high temperature oxidation and thermal shock behavior of nanoagglomerated YSZ–Alumina composite coatings produced by plasma spray method", Surface and Coatings Technology, vol. 221, pp. 133-141, 2013.
[13] D. Chen, E.H. Jordan & M. Gell, "Solution precursor high-velocity oxy-fuel spray ceramic coatings", Journal of the European Ceramic Society, vol. 29, no, 16, pp. 3349-3353, 2009.
[14] M. Karger, R. Vaßen & D. Stöver, "Atmospheric plasma sprayed thermal barrier coatings with high segmentation crack densities: Spraying process, microstructure and thermal cycling behavior", Surface and Coatings Technology, vol. 206, no. 1, pp. 16-23, 2011.
[15] H. Guo, S. Kuroda & H. Murakami, "Microstructures and properties of plasma‐sprayed segmented thermal barrier coatings" Journal of the American Ceramic Society, vol. 89, no. 4, pp. 1432-1439. 2006.
[16] L. Xie, D. Chen, E. H. Jordan & A. Ozturk, "Formation of vertical cracks in solution-precursor plasma-sprayed thermal barrier coatings", Surface and Coatings Technology, vol. 201, no. 3, pp. 1058-1064, 2006.
[17] R. Lima, A. Kucuk & C. Berndt, "Integrity of nanostructured partially stabilized zirconia after plasma spray processing", Materials Science and Engineering: A, vol. 313, no. 1 pp. 75-82, 2001.
[18] J. Wu, H. B. Guo, L. Zhou & L. Wang, "Microstructure and thermal properties of plasma sprayed thermal barrier coatings from nanostructured YSZ", Journal of Thermal Spray Technology, vol. 19, no. 6, pp. 1186-1194, 2010.
[19] H. Zhou, F. Li & J. Wang, "Microstructure analyses and thermophysical properties of nanostructured thermal barrier coatings", Journal of Coatings Technology and Research, vol. 6, no. 3, pp. 383-390, 2009.
[20] P. Fauchais, "Thermal Spray Fundamentals/Fauchais", P., Heberlein, J., Boulos, M. NY: Springer, p. 1600, 2014.
[21] M. Gell, E.H. Jordan, M. Teicholz & B. M. Cetegen, "Thermal barrier coatings made by the solution precursor plasma spray process", Journal of Thermal Spray Technology, vol. 17, pp. 124-135, 2008.
[22] G. Jeffery, "Elements of x-ray diffraction (Cullity, BD)", ACS Publications, 1957.
[23] J. Ziegelheim, L. Lombardi, Z. Pala & Z. Česánek, "Abradable Coatings for Small Turboprop Engines: A Case Study of Nickel-Graphite Coating", Journal of Thermal Spray Technology, vol. 28, no. 4, pp. 794-802, 2019.
[24] L. Jin, L. Ni, Q. Yu, A. Rauf & Ch .Zhou, "Thermal cyclic life and failure mechanism of nanostructured 13 wt% Al2O3 doped YSZ coating prepared by atmospheric plasma spraying", Ceramics International, vol. 38, no. 4, pp. 2983-2989, 2012.
[25] A. Fox & T. Clyne, "Oxygen transport by gas permeation through the zirconia layer in plasma sprayed thermal barrier coatings", Surface and Coatings Technology, vol. 184, no. 2-3, pp. 311-321, 2004.
[26] M. J. Donachie & S. J. Donachie, "Superalloys: a technical guide", ASM international, 2002.
[27] ب. قاسمی، ض. والفی و س. تقی رمضانی، "مقایسه خواص اکسیداسیون همدما و شوک حرارتی پوشش CoNiCrAlY اعمال‌شده با استفاده از فرآیندهای پاشش پلاسمایی اتمسفری و پاشش پلاسمایی تحت گاز محافظ نیتروژن"، فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 16، شماره 1، صفحه 61-43، 1401.
[28] F. Wu, E. H. Jordan, X. Ma & M. Gell, "Thermally grown oxide growth behavior and spallation lives of solution precursor plasma spray thermal barrier coatings", Surface and Coatings Technology, vol. 202, no. 9, pp. 1628-1635, 2008.
[29] T. A. Taylor, D. L. Appleby & A. Bolcavage, "Dense vertically cracked thermal barrier coatings", Google Patents, 2012.
[30] H. Guo, R. Vaßen & D. Stöver, "Atmospheric plasma sprayed thick thermal barrier coatings with high segmentation crack density", Surface and Coatings technology, vol. 186, no. 3, pp. 353-363, 2004.
[31] M. Gell, E.H. Jordan, M. Teicholz & B. M. Cetegen, "Thermal barrier coatings made by the solution precursor plasma spray process", Journal of Thermal Spray Technology, vol. 17, pp. 124-135, 2008.
[32] L. Li, B. Kharas, H. Zhang & S. Sampath, "Suppression of crystallization during high velocity impact quenching of alumina droplets: Observations and characterization", Materials Science and Engineering: A, vol. 456, no. 1-2, pp. 35-42, 2007.
[33] H. Echsler, V. Shemet, M. Schütze, L. Singheiser & W. J. Quadakkers, "Cracking in and around the thermally grown oxide in thermal barrier coatings: A comparison of isothermal and cyclic oxidation", Journal of Materials science, vol. 41, no. 4, pp. 1047-1058, 2006.
[34] C. Zhou, N. Wang & H. Xu, "Comparison of thermal cycling behavior of plasma-sprayed nanostructured and traditional thermal barrier coatings", Materials Science and Engineering: A, vol. 452, pp. 569-574, 2007.
[35] S. Bose, "High temperature coatings", Butterworth-Heinemann, 2011.
6- پینوشت
[1] Turbine Inlet Temperature
[2] Thermal Barrier Coatings
[3] Yttria-Stabilized Zirconia
[4] Thermally Grown Oxide
[5] Liang et al
[6] Atmospheric Plasma Spraying
[7] Vertical Crack
[8] Xie et al
[9] Grit Blasting
[10] Nanozones
[11] Bimodal Structure
[12] Top Coat/Bond Coat
[13] Dense Vertical Crack-Tbc
[14] Taylor et al
[15] Chen et al
Please cite this article using:
Saeid Taghiramezani, Zia Valefi, Investigating the Performance of Vertical Crack Formation in Oxidation and Thermal Shock Test of Nano YSZ-40%wtAl2O3 Coating Applied on YSZ by Atmospheric Plasma Spraying Process, New Process in Material Engineering, 2024, 18(2), 25-46.
مقالات مرتبط
حقوق این وب‌سایت متعلق به سامانه مدیریت نشریات دانشگاه آزاد اسلامی است.
حق نشر © 1403-1400