رفتار شوک حرارتی پوششهای سد حرارتی YSZ، /YSZ مولایت و پوشش گرادیانی /YSZ مولایت بر روی سوپر آلیاژ پایه نیکل تهیه شده با روش اسپری پلاسمایی (APS)
الموضوعات :
نادر سلطانی
1
(پژوهشگاه مواد و انرژی)
ایمان مباشرپور
2
(پژوهشکده سرامیک، پژوهشگاه مواد و انرژی، کرج، ایران)
اسماعیل صلاحی
3
(پژوهشگاه مواد و انرژی)
علی صداقت آهنگری
4
(پژوهشگاه مواد و انرژی)
الکلمات المفتاحية: مولایت, سوپر آلیاژ پایه نیکل, پوشش های سد حرارتی, اسپری پلاسمایی, زیرکونیا پایدار شده با ایتریا,
ملخص المقالة :
در این پژوهش رفتار شوک حرارتی ، سه نوع پوشش سد حرارتی زیرکونیای پایدار شده با ایتریا (YSZ) ، پوشش لایهای زیرکونیای پایدار شده با ایتریا و پوشش مولایت (YSZ/Mullie) و پوشش گرادیانی از زیرکونیای پایدار شده با ایتریا و مولایت (YSZ/Mullie) بر روی سوپر آلیاژ پایه نیکل اینکونل 738 کم کربن به همراه لایه میانی پوشش داده شده با روش اسپری پلاسمایی مقایسه شد. با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی(SEM)، و پراش اشعه ایکس(XRD)، بررسی ریزساختار و آنالیز فازی انجام شد. درصد تخلخل و شوک پذیری پوششها در دمای °C1100 مورد بررسی و مقایسه قرار گرفت. نتایج نشان داد که با افزایش مولایت به صورت لایهای و گرادیانی بر روی پوشش YSZ از میزان حفرات و تخلخل ها کاسته میشود که این پدیده به علت افزایش مقادیر ذرات ذوب شده مولایت میباشد. درصد تخلخل مربوط به پوشش لایهای و گرادیانی از مولایت به ترتیب برابر با 8 و 5/3 درصد به دست آمد. با استفاده از نتایج آزمون شوک حرارتی مشخص شد طول عمر پوشش لایهای از مولایت از پوشش گرادیانی مولایت و پوششYSZ بیشتر است. بیشینه طول عمر پوشش لایهای از مولایت هفتاد سیکل ده دقیقه ای در کوره با دمای °C1100 ثبت شد. در شرایط آزمون شوک حرارتی طول عمر پوششهای گرادیانی و YSZ به ترتیب 60 و 25 سیکل اندازه گیری شد. پوششهای گرادیانی از مولایت در شوک حرارتی درصد انقباض بیشتری را نسبت به پوشش لایهای مولایت از خود نشان دادند.
_||_
فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، سال ......... – شماره ....... – بهار ....... ، صص. ...... | ||
| فصلنامه علمی پژوهشی فرآیندهای نوین در مهندسی مواد ma.iaumajlesi.ac.ir |
|
رفتار شوک حرارتی پوششهای سد حرارتی YSZ، /YSZ مولایت و پوشش گرادیانی /YSZ مولایت بر روی سوپر آلیاژ پایه نیکل تهیه شده با روش اسپری پلاسمایی (APS)
نادر سلطانی1، ایمان مباشرپور2*، اسماعیل صلاحی3، علی صداقت آهنگری4
1- کارشناس ارشد، پژوهشکده سرامیک، پژوهشگاه مواد و انرژی، کرج، ایران.
2- استادیار، پژوهشکده سرامیک، پژوهشگاه مواد و انرژی، کرج، ایران.
3- استاد، پژوهشکده سرامیک، پژوهشگاه مواد و انرژی، کرج، ایران.
4- استادیار، پژوهشکده سرامیک، پژوهشگاه مواد و انرژی، کرج، ایران.
* ایمیل نویسنده مسئول: iman.mobasherpour@gmail.com
اطلاعات مقاله |
| چکیده |
دریافت: پذیرش: | در این پژوهش رفتار شوک حرارتی ، سه نوع پوشش سد حرارتی زیرکونیای پایدار شده با ایتریا (YSZ) ، پوشش لایهای زیرکونیای پایدار شده با ایتریا و پوشش مولایت (YSZ/Mullie) و پوشش گرادیانی از زیرکونیای پایدار شده با ایتریا و مولایت (YSZ/Mullie) بر روی سوپر آلیاژ پایه نیکل اینکونل 738 كم كربن به همراه لایه میانی پوشش داده شده با روش اسپری پلاسمایی مقایسه شد. با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی(SEM)، و پراش اشعه ایکس(XRD)، بررسی ریزساختار و آنالیز فازی انجام شد. درصد تخلخل و شوک پذیری پوششها در دمای °C1100 مورد بررسی و مقایسه قرار گرفت. نتایج نشان داد که با افزایش مولایت به صورت لایهای و گرادیانی بر روی پوشش YSZ از میزان حفرات و تخلخل ها کاسته میشود که این پدیده به علت افزایش مقادیر ذرات ذوب شده مولایت میباشد. درصد تخلخل مربوط به پوشش لایهای و گرادیانی از مولایت به ترتیب برابر با 8 و 5/3 درصد به دست آمد. با استفاده از نتایج آزمون شوک حرارتی مشخص شد طول عمر پوشش لایهای از مولایت از پوشش گرادیانی مولایت و پوششYSZ بیشتر است. بیشینه طول عمر پوشش لایهای از مولایت هفتاد سیکل ده دقیقه ای در کوره با دمای °C1100 ثبت شد. در شرایط آزمون شوک حرارتی طول عمر پوششهای گرادیانی و YSZ به ترتیب 60 و 25 سیکل اندازه گیری شد. پوششهای گرادیانی از مولایت در شوک حرارتی درصد انقباض بیشتری را نسبت به پوشش لایهای مولایت از خود نشان دادند. | |
کلید واژگان: پوشش های سد حرارتی سوپر آلیاژ پایه نیکل اسپری پلاسما مولایت زیرکونیای پایدار شده با ایتریا
|
|
Nader Soltani1, Iman Mobasherpour2*, Esmail Salahi3, Ali Sedaghat Ahangary4
1- MA, Department of Ceramic, Materials & Energy Research Center, Karaj, Alboorz, Iran.
2- Assistant Professor, Department of Ceramic, Materials & Energy Research Center, Karaj, Alboorz, Iran.
3- Professor, Department of Ceramic, Materials & Energy Research Center, Karaj, Alboorz, Iran.
4- Assistant Professor, Department of Ceramic, Materials & Energy Research Center, Karaj, Alboorz, Iran
* corresponding author email: Iman.Mobasherpour@gmail.com
Abstract |
| Article Information | |||
In this research, thermal shock behavior, three types of yttria-stabilized zirconia (YSZ), yttria-stabilized zirconia and mullite coating (YSZ/Mullite) and gradient coating of yttria-stabilized zirconia and mullite (YSZ/Mullite) thermal barrier coatings on Inconel 738 low carbon nickel base superalloy along with bond coated by plasma spray method was compared. Using scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction (XRD), microstructure and phase analysis were done. The percentage of porosity and thermal shock of coatings at 1100°C temperature was investigated and compared. The results showed that with the increase of mullite in layer and gradient on YSZ coatings, the number of holes and porosity decreases, which is due to the increase in the amount of melted mullite particles. The percentage of porosity related to layer and gradient coating of mullite was obtained as 8 and 3.5% respectively. Using the results of the thermal shock test, it was determined that the lifetime of the mullite layer coating is longer than the mullite gradient coating and the YSZ coating. The maximum lifespan of the layered coating of mullite was recorded as 70 cycles of 10 minutes in a furnace with a temperature of 1100°C. The gradient coatings of mullite showed a higher percentage of shrinkage in thermal shock than the layered mullite coating.
| Original Research Paper Doi: 10……………………………… | ||||
| Keywords: Thermal barrier coatings nickel-based super alloy plasma spray mullite YSZ
| ||||
1- مقدمه
یکی از مشکلات اصلی قطعات صنعتی کاربرد آنها در دماهای بالا میباشد. پر کاربردترین روش جلوگیری از تخریب مواد در دماهای بالا، پوشش دهی آلیاژهای مورد استفاده میباشد. اعمال این نوع پوششها مانند پوششهای سد حرارتی موجب بهبود خواص شیمیایی، مکانیکی و حتی حرارتی سطح آلیاژها میشود. امروزه استفاده از پوششهای سد حرارتی زیرکونیای پایدار شده با ایتریا (7%-8%Y2O3 - ZrO2) در بسیاری از قطعاتی که نیازمند تحمل دمایی بالا میباشند کاربرد دارند. پوششهای سد حرارتی با هدایت حرارتی کمتر، عایق حرارتی در سطوح فلزی ایجاد می کنند که دمای سطح فلز و شارش گرما به داخل فلز را کاهش می دهند با استفاده از این پوششها امکان افزایش دمای فرایند به میزان °C100-150 بدون افزایش دمای زیرلایه، وجود دارد]1-3[. در دماهای بالاتر از °C1200 پوششهای سد حرارتی زیرکونیای پایدار شده با ایتریا دچار تغییرات فازی نامطلوب میشوند. این تغییر فازها سبب ایجاد ترک در لایه بالایی پوشش میشود تحقیقات اخیر برای یافتن جایگزین زیرکونیای پایدار شده با ایتریا موجب شناسایی بسیاری از سرامیک‌های جدید شده است]4[.
سرامیک‌های جدید دارای عملکرد مناسب در دمای بالای °C1200 و چقرمگی پایین نسبت به زیرکونیای پایدار شده با ایتریا هستند. اما مشکل اصلی این سرامیک ها این است که این مواد دارای غلظت بالایی از یون اکسیژن میباشند که موجب لایه لایه شدن پوشش میشود که نیاز است در این گونه پوششها از ضد اکسایش ها استفاده کنیم. در شرایط کاری پوششهای سد حرارتی در توربین ها، شوک های حرارتی، اکسیداسیون و خوردگی داغ ناشی از روشن و خاموش شدن توربین، دمای بالا و ناخالصی های خورنده مانند وانادیوم و سدیم که در سوخت وجود دارد می تواند بسیار مخرب نیز باشد همچنین به علت نابرابری ضریب انبساط حرارتی بین لایه فلزی و لایه سرامیکی ایجاد تنش های باقی مانده می تواند منجر به تقلیل خواص مکانیکی و تسریع خوردگی داغ شود]5-7[. به منظور کاهش تنش های باقی مانده محققان روش هایی را به منظور کاهش اختلاف ضریب انبساط حرارتی لایه فلزی و لایه سرامیکی را مطرح کردند که یکی از راه کارها اعمال پوششهای گرادیانی میباشد]5[.
یکی از مهم ترین مواد مورد استفاده در پوششهای سدحرارتی مولایت میباشد. مولایت ترکیبی از آلومینیوم و سیلیکات با فرمول 3Al2O3-2SiO2 است که در دسته دیرگدازهای آلومینیو – سیلیکاتی قرار می گیرد. چگالی کم همراه با خواص مکانیکی از قبیل پایداری حرارتی بالا، ضریب هدایت گرمایی کم و مقاومت در برابر اکسایش و خوردگی و رفتار خزشی مطلوب باعث کاربرد این مواد در دماهای بالا شده است]8و9[. یکی از مهم ترین مشکلات استفاده از مولایت این است که این مواد دچار تبلور و انقباض حجم در دمای بالای °C800 میشود که موجب ایجاد ترک و لایه لایه شدن نیز می‌گردد]10[. روش هایی که توانايي اعمال انرژي كافي براي ذوب يا تبخير ماده اوليه را داشته باشند عموما به منظور ایجاد پوششهای سد حرارتی اسستفاده میشوند. ازجمله روش‌هایی كه توانايي توليد اين انرژي بالا را دارند می‌توان پاشش پلاسمايی در اتمسفر هوا 1(APS)، رسوب فيزيكي از فاز بخار به كمك پرتوي الكترونی 2(EB-PVD)، پاشش حرارتي با سوخت اكسيژن و سرعت بالا 3(HVOF)، سل-ژل و رسوب‌شیمیایی از فاز بخار به كمك لیزر 4(CVD) را نام برد. از ميان اين روش‌ها، پاشش پلاسمايي و رسوب فيزيكي از فاز بخار به كمك پرتوي الكتروني متداول‌تر میباشند]11[.
با توجه به اهمیت سوپر آلیاژهای پایه نیکل و پژوهشهای انجام شده در مورد پوششهای سد حرارتی بر روی آنها، خلا تحقیقاتی در زمینه بهرهگیری از مولایت بر روی زیرکونیای پایدارشده با ایتریا و اعمال پوشش گرادیانی به عنوان نوآوری این کار مشخص شد. لذا هدف از اجرای این تحقیق استفاده از پوشش مولایت روی زیرکونیا پایدار شده با ایتریا و پوششهای گرادیانی مولایت به همراه زیرکونیای پایدار شده با ایتریا بر روی سوپر آلیاژ پایه نیکل و مقایسه رفتار شوک حرارتی این نوع از پوششها میباشد.
2- مواد و روش تحقيق
به منظور تهیه پوششها، از پودر NiCrAlY با كد تجاري FST M-321 و اندازه ذرات 40 تا 125 میکرومتر و مورفولوژی کروی استفاده شده است. همچنین به منظور ايجاد پوشش سراميكي از پودر زيركونياي پايدار شده با ایتريا با كد تجاري METCO 204NS و اندازه ذرات 11 تا 125 میکرومتر و مورفولوژی کروی و پودر مولایت با ترکیب Al4.8O9.6Si1.2 و اندازه ذرات 10 تا 50 میکرومتر و مورفولوژی نامنظم استفاده شد. آنالیز فازی و تصاویر میکروسکوپی هر یک از پودرهای اولیه استفاده شده در شکل 1 آورده شده است.
از سوپر آلیاژ پایه نیکل اینکونل 738 كم كربن (IN 738-LC) نیز به عنوان زیرلایه استفاده شد در جدول 1 ترکیب شیمیایی مربوط به سوپر آلیاژ پایه نیکل نشان داده شده است. نمونه ها زیر لایه به صورت مکعب مستطیل با ابعاد 5×20×20 میلیمتر آماده سازی شدند.
جدول (1): درصد وزنی عناصر تشکیل دهنده ی سوپر آلیاژ پایه نیکل اینکونل 738 كم كربن استفاده شده به عنوان زیرلایه
عنصر | Ni | Cr | Co | Ti | Al | w | Mo | Ta | Nb | Fe |
درصد وزنی | 63.20 | 15.48 | 8.57 | 3.17 | 2.99 | 2.29 | 2.12 | 1.09 | 0.80 | ≤0.005 |
شکل (1): آنالیز فازی و تصاویر میکروسکوپ الکترونی از مواد اولیه استفاده شده در این تحقیق الف) پودر NiCrAlY ب) پودر زیرکونیای پایدار شده با ایتریا ج) پودر مولایت.
در ابتدا نمونههای تهیه شده توسط فرايند التراسونيك در محيط استون تميز شدند. سپس نمونهها با استفاده از ذرات ساینده کاربید سیلیسیم گريت بلاست شده و بعد از آن نیز توسط فرایند التراسونیک در محیط استون تمیز شدند. در مرحله بعد نمونهها قبل از پوشش دهي، تا دماي حدود °C200 پيش گرم شدند و بلافاصله عمليات پوشش دهي آغاز شد. در اين پژوهش براي ايجاد پوششها از دستگاه پاشش پلاسما در اتمسفر هوا با تفنگ Metco 3MB استفاده شد از گاز آرگون (Ar) به عنوان گاز اوليه پلاسما و گاز حامل پودر و از هيدروژن (H2) به عنوان گاز ثانويه استفاده شد. در جدول 2 پارامترهاي مورد استفاده براي پوشش دهي نمونهها آورده شده است.
جدول (2): پارامترهای مورد استفاده به منظور پوشش دهی با استفاده از دستگاه اسپری پلاسمایی
نوع پوشش | جریان (A) | نسبت Ar/H2 | نرخ تغذیه (g/min) | فاصله پاشش (mm) |
NiCrAlY | 450 | 15/85 | 20 | 150 |
YSZ | 500 | 15/85 | 20 | 100 |
Mullite | 500 | 15/85 | 20 | 80 |
YSZ+Mullite گرادیانی | 500 | 15/85 | 20 | 80 |
در اين پژوهش سه نوع پوشش براي لايه نشاني و ارزيابي شوک حرارتی انتخاب شدند. در شکل 2 شماتیک این سه پوشش آورده شده است همان طور که در شکل 2 ملاحظه میشود پوشش گرادیانی متشکل از يك لايه مياني فلزي (NiCrAlY)، يك لايه پوشش YSZ، يك لايه پوشش Mullite %25% YSZ -75 (درصد وزنی)، يك لايه پوشش Mullite %50% YSZ -50 ، يك لايه پوشش Mullite %75% YSZ -25 و یک لایه مولایت به عنوان پوشش رويی میباشد ضخامت مربوط به هر یک از لایه ها در شکل 2 آورده شده است.
شکل(2): شماتیک سه نوع پوشش استفاده شده در این تحقیق به همراه ضخامت هر لایه الف) پوشش دولایه نیکرالی + زیرکونیای پایدارشده با ایتریا ب) پوشش سه لایه نیکرالی + زیرکونیای پایدارشده با ایتریا + مولایت ج) پوشش گرادیانی از نیکرالی + زیرکونیای پایدارشده با ایتریا + پوشش گرادیانی از زیرکونیای پایدارشده با ایتریا و مولایت.
بررسي و آناليز فازي نمونهها با استفاده از دستگاه پراش اشعه ایکس5 (XRD) ساخت کارخانه Unisantis كشور آلمان مدل MD300 با تارگت Cuو دتكتور Ni، با ولتاژ 50-45 كيلوولت و ماكزيمم جريان 1 ميلي آمپر انجام شد. به منظور بررسي ريزساختار و مورفولوژي نمونهها از میکروسکوپ الکترونی روبشی6 (SEM) مدل VEGA/TESCAN-XMU مجهز به طيف سنج پراش انرژی اشعه ایکس7 (EDS) ساخت كشور روسيه با ولتاژ 15 كيلوولت استفاده شد. به منظور بررسی نمونه ها توسط میکروسکوپ الکترونی از پوشش هادی طلا استفاده شد.
مطالعه توپولوژی و درصد تخلخل در پوششهای YSZ و YSZ/Mullite با استفاده از چندین تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی توسط نرم افزار image j مورد بررسی قرار گرفت. هر تصویر متناسب با اختلاف وضوح بین مواد پوشش و تخلخل ها توسط روش ترشهولد(Threshold) تبدیل به تصویر باینری(Binary) شد بدین منظور تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی توسط عملیات باینری کردن مورد بررسی قرار گرفت. برای اندازه گیری درصد تخلخل در لایه های مختلف از تصاویری با بزرگ نماییهای مختلف استفاده شد و درصد تخلخل محاسبه شده برای هر لایه میانگین 10 اندازه گیری از آن لایه با انحراف معیار حدود 3 درصد میباشد.
براي اندازه گيري مقاومت به شوك حرارتي، نمونههاي ساخته شده در معرض چرخه هاي حرارتي قرار گرفتند. براي اعمال اين چرخه ها از كوره با دماي بالا استفاده شد. هر چرخه گرمايي شامل حرارت دادن نمونهها در دماي °C1100 به مدت 10 دقيقه و سرد كردن سريع در آب مقطر بود. دماي آب مقطر در طول آزمون بين °C20 تا 25 نگه داشته شد. پس از اينكه نمونهها در داخل آب مقطر تا دماي محيط سرد شدند، از داخل آب مقطر بيرون آورده شدند و تحت عمليات خشك كردن قرار گرفتند و دوباره داخل كوره قرار داده شدند. همين چرخه هاي حرارتي به صورت تكراري انجام شد، زمانيكه حدود 5 درصد از كل پوشش تخريب شد، ادامه آزمون در مورد نمونه مرتبط متوقف و مدت زمان آزمون ثبت گرديد. تكرار پذيري نتايج آزمون با در نظرگيري دو نمونه براي هر پوشش تاييد گرديد. اين نوع از آزمون شوك حرارتي نيز توسط ساير محققين انجام شده است]12-14[.
3- نتایج و بحث
1-3 بررسی ریزساختاری و آنالیز عنصری و آنالیز فازی
شکل 3 تصاویر مربوط به سطح پوششهای سد حرارتی مختلف را نشان می دهد همان طور که ملاحظه میشود برای پوششهای سد حرارتی دو لایه NiCrAlY/YSZ (شکل 3 الف) حضور ریز ترک ها و حفرات با اندازه های مختلف در این تصویر نشان داده شده است. یکی از مهم ترین ویژگی های پوششهای سد حرارتی، مقدار، شكل و مورفولوژي تخلخل هاي موجود مي باشند. پوششهای سد حرارتی که با روش APS اعمال میشوند عموما تخلخل دارند که به این دلیل باعث رهاسازی تنش های باقی مانده شده و مقاومت حرارتی بالایی را نیز فراهم می کنند]15[.
در شکل 3 ب تصویر میکروسکوپ الکترونی از سطح پوشش سد حرارتی (سه لایه) آورده شده است همان طور که ملاحظه میشود پوششهای سه لایه پاشیده شده با روش اسپری پلاسمایی نسبتا خشن و زبر میباشد، همچنین وجود حفرات در این نوع از پوششها به وضوح دیده میشود این نوع از پوششها حاوی ذرات مسطح همراه با برخی ذرات نیمه مذاب مولایت نیز میباشند. گزارش شده که در فرایند پاشش پلاسما، پوشش ترکیبی از ذرات به طور کامل ذوب شده و ذرات با ذوب سطحی (ناقص) میباشد]15[ که این مسئله به طور کامل در شکل 3 دیده میشود. همچنین ملاحظه میشود که لایه مولایت در سطح رویی پوششهای لایهای سه لایه دارای حفرات با اندازه بسیار بزرگتر میباشد که به علت خروج گاز های محبوس شده است. تصویر میکروسکوپ الکترونی از سطح پوشش سد حرارتی گرادیانی در شکل 3 ج آورده شده است. همان طور که ملاحظه میشود ذرات ذوب شده و ذرات نیمه مذاب مولایت در این تصاویر به وضوح دیده میشود این ذرات در شکل 3 ج نشان داده شده است. همچنین در برخی نواحی نیز حفراتی در این نوع از پوششها ملاحظه میشود. ملاحظه میشود که با افزایش مقادیر مولایت از میزان حفرات و تخلخل ها کاسته میشود که به دلیل افزایش مقادیر ذرات ذوب شده مولایت میباشد. در واقع ذوب ذرات مولایت باعث میشود حفرات و تخلخل های موجود پر شده و از میزان تخلخل ها کاسته شود. لازم به ذکر است که در پوششهای سد حرارتی گرادیانی Mullite/YSZ مقادیر ذرات نیمه ذوب شده و ذوب شده نیز نسبت به پوشش Mullite/YSZ/NiCrAlY افزایش یافته است. نقطه ذوب مولایت 2123 درجه کلوین (℃1850) و نقطه ذوب زیرکونیا نیز در حدود 2973 درجه کلوین (℃2700) میباشد در پوششهای گرادیانی نیز به علت افزایش مولایت در سطوح، ذوب ذرات افزایش یافته است. در برخی نواحی نیز میکروترک هایی در پوششهای مولایت دیده میشود.
شکل (3): تصاویر مربوط به سطح پوششهای سد حرارتی الف) پوشش دولایه NiCrAlY/YSZ ب) پوشش سه لایه Mullite/YSZ/NiCrAlY ج) پوشش گرادیانی از Mullite/YSZ
در شکل 4 نتایج الگوی پراش اشعه ایکس و فاز های موجود در هر یک از پوششهای سد حرارتی آماده شده قبل از شوک حرارتی ارائه شده است. همان طور که ملاحظه میشود برای پوشش دو لایه NiCrAlY/YSZ پوشش فقط شامل فاز تتراگونال نیمه پایدار زیر کونیا میباشد.
فاز تتراگونال نیمه پایدار، یک فاز غیر تعادلی تشکیل شده به دلیل سریع سرد شدن ذرات مذاب میباشد که دارای محور c کوچکتر و نسبت c/a کمتر نسبت به فاز تتراگونال میباشد]13و16[ سرعت سرد شدن بسیار بالای ذرات مذاب در فرایند پاشش پلاسما از وقوع استحاله فازی زیرکونیا از تتراگونال به مونوکلینیک جلوگیری می کند و باعث تشکیل زیرکونیای تتراگونال نیمه پایدار از فاز مکعبی میشود]17[.گزارش شده که حضور زیرکونیا با فاز تتراگونال در این نوع از پوششها باعث عملکرد بسیار مناسبی در شرایط کاری مختلف میشود]17-19[. البته لازم به ذکر است که تمایز بین فازهای تتراگونال و مکعبی در الگوی پراش اشعه ایکس کار بسیار سختی میباشد زیرا پهنای پیک و عرض پیک برای این دو فاز به یکدیگر نزدیک میباشند]20[. تعیین ساختار های مکعبی و تتراگونال به دلیل اینکه ساختارهای تتراگونال (c = 0.5177A0 و a = 0.509A0) و مکعبی(a = 0.5124A0) بسیار مشابه میباشند ممکن است بسیار گمراه کننده باشد]21[.
نتایج مربوط به آنالیز فازی پوشش سه لایه Mullite/YSZ/NiCrAlY در شکل 4 ب آورده شده است همان طور که دیده میشود پیک های اصلی این پوشش مربوط به فاز مولایت (Al4.8O9.6Si1.2) با سیستم کریستالی ارتورومبیک به همراه زمینه مولایت آمورف میباشد همچنین هیچ پیک پراش دیگری از سایر ناخالصی ها در طیف پراش اشعه ایکس، مشاهده نمیشود. لازم به ذکر است که سرد شدن سریع قطرات مذاب با سرعت سریع روی یک بستر سرد دلیل اصلی تشکیل مولایت آمورف در این نوع از پوششها میباشد. وجود فاز مولایت و مولایت آمورف در پوششهای سد حرارتی سه لایه در کارهای سایر محققان نیز گزارش شده است]22[.
شکل4 ج آنالیز فازی مربوط به پوششهای سد حرارتی گرادیانی Mullite/YSZ را نشان می دهد همان طور که ملاحظه میشود فاز اصلی موجود در این نوع از پوششهای سد حرارتی مولایت میباشد. همچنین مولایت آمورف نیز به خوبی در این نمونه دیده میشود. گزارش شده که در این نوع از پوششها سرد شدن سریع قطرات مذاب اصلی ترین دلیل برای تشکیل فاز شیشه آمورف از مولایت میباشد]22[.
شکل (4): آنالیز فازی مربوط به پوششهای سد حرارتی الف) پوشش دولایه NiCrAlY/YSZ ب) پوشش سه لایه Mullite/YSZ/NiCrAlY ج) پوشش گرادیانی Mullite/YSZ.
2-3 بررسی درصد تخلخل پوششها
جدول 3 مقادیر درصد تخلخل مربوط به پوششهای دو لایه YSZ/NiCrAlY و سه لایه Mullite/YSZ/NiCrAlY و گرادیانی از YSZ / Mullite را نشان می دهد همان طور که ملاحظه میشود درصد تخلخل مربوط به پوشش سه لایهای Mullite/YSZ/NiCrAlY تقریباٌ 8 درصد میباشد. همچنین برای پوششهای سد حرارتی گرادیانی از YSZ / Mullite نیز درصد تخلخل تقریباٌ در حدود 3 درصد است. احتمالا اصلی ترین دلیل برای کاهش عدد مربوط به درصد تخلخل برای پوششهای گرادیانی YSZ / Mullite حضور فاز مولایت آمورف و ذرات ذوب شده بیشتر مولایت در این پوششها نسبت به پوششهای YSZ/NiCrAlY و پوششهای لایهای Mullite/YSZ/NiCrAlY میباشد. درصد تخلخل اندازه گیری شده در دامنه تخلخل پوشش های متداول APS (%5-15) میباشد]23[.
جدول (3): مقادیر مربوط به درصد تخلخل هر یک از پوششها
پوشش | YSZ | پوشش YSZ/Mullite | پوشش گرادیانی YSZ+Mullite
|
تخلخل (%) | 5/6 | 1/8 | 0/3 |
مقدار درصد تخلخل در لایه YSZ نیز نشان دهنده یک تناسب و سازش خوب بین مدول الاستیک پایین، تحمل کرنش بالا، هدایت حرارتی پایین میباشد و حفاظت در برابر عوامل خورنده را تضمین می کند. درصد های تخلخل مشابه نیز توسط سایر محققین به دست آورده شده است. گزارش شده که میکروساختار این نوع از پوششهای سد حرارتی می تواند به وسیله تخلخل ها، تنش های باقی مانده، ترک های میکرونی تحت تاثیر قرار گیرد و امروزه استفاده از روش های عملیات حرارتی (بعد از فرایند پوشش دهی) و یا اعمال لایه لعاب می توانند به نوعی کمک کننده باشند[3].
3-3 بررسی ماکروسکوپی و میکروسکوپی و طول عمر پوششها بعد از ازمون شوک حرارتی
درشکل 5 طول عمر سه نوع پوشش ایجاد شده در طی سیکل های شوک حرارتی در دمای °C1100 نشان داده شده است. لازم به ذکر است که نتایج، میانگینِ تعداد سیکل های پوسته شدن برای دو نمونه از هر پوشش میباشد. در این آزمون هنگامی که ترک و جدایش در لایه YSZ رخ داد ادامه آزمون در مورد نمونه مرتبط متوقف و مدت زمان آزمون و تصاویر ماکروسکوپی توسط دوربین دیجیتال ثبت گردید. همان طور که ملاحظه میشود برای نمونه با پوشش YSZ در سیکل 25 لایه زیرکونیای پایدار شده با ایتریا از لایه میانی فلزی NiCrAlY جدایش یافت. همچنین برای نمونه با پوشش سه لایه Mullite/YSZ/NiCrAlY در سیکل 70 لایه مربوط به مولایت و زیرکونیای پایدار شده همزمان از لایه میانی NiCrAlY جدایش یافتند. برای نمونههای با پوشش گرادیانی Mullite/YSZ نیز همان طور که ملاحظه میشود در سیکل 60 ام همزمان پوششها از لایه میانی فلزی NiCrAlY جدایش یافتند. همان طور که ملاحظه میشود طول عمر پوشش لایهای Mullite/YSZ/NiCrAlY بعد از ازمون شوک حرارتی از دو نمونه دیگر بیشتر میباشد. عوامل مختلفی مانند ضریب انبساط حرارتی، مدول الاستیک، استحکام شکست و تغییرات دمایی ناشی از شوک حرارتی می توانند در مقاومت یک بدنه در برابر شوک حرارتی موثر باشند.
شکل (5): طول عمر پوششهای ایجاد شده طی سیکل های شوک حرارتی در دمای °C1100
شکل 6 تصاویر ماکروسکوپی پوششها را طی سیکل های آزمون شوک حرارتی نشان می دهد. همان طور که ملاحظه میشود هر سه پوشش تحت سیکل های شوک حرارتی شروع به ریختن از لبه ها کرده اند. گزارش شده است که در سیکل های شوک حرارتی، پوسته شدن و ریزش پوشش در ابتدا از نواحی نزدیک نواقص و به خصوص لبه های نمونهها شروع میشود که به دلیل شرایط بحرانی سرد و گرم کردن و همچنین تمرکز تنش در لبه ها میباشد]12[.
شکل (6): تصویر ماکروسکوپی از پوششها بعد از انجام سیکل های آزمون شوک حرارتی در دمای °C1100 الف) پوشش دولایه YSZ/NiCrAlY ب) پوشش سه لایه Mullite/YSZ/NiCrAlY ج) پوشش گرادیانی از Mullite/YSZ
ضرایب انبساط حرارتی معمولی آلیاژهای پایه نیکل، لایه میانی فلزی، زیرکونیا و مولایت به ترتیب حدود 17*10-6 K-1، 15*10-6 K-1، 10*10-6 K-1 و 4.75*10-6 K-1 میباشد]22و24[. بنابراین اختلاف ضرایب انبساط حرارتی بین لایه میانی فلزی و لایه YSZ و لایه YSZ با مولایت در سیکل های گرم و سرد کردن باعث ایجاد تنش و جوانه زنی و رشد ترک در فصل مشترک بین لایه ها شده و در نهایت می تواند به پوسته شدن لایه ها کمک نماید. زیرکونیا توسط دو مکانیزم کمک به انتقال اکسیژن از خارج به لایه میانی می نماید و باعث تشکیل و رشد لایه TGO و ایجاد تنش در پوشش سد حرارتی میشود مکانیزم اول انتقال یونی از طریق شبکه با حرکت معکوس جاهای خالی یون های اکسیژن و مکانیزم دوم نفوذ گازها در سرتاسر شبکه زیرکونیا از طریق ترک ها و تخلخل های به هم پیوسته میباشد]25و26[.
به طور کلی عدم تطابق انبساط حرارتی در زیرلایه فلزی و لایه پوشش سرامیکی بعلاوه رشد لایه TGO در فصل مشترک لایه میانی فلزی و لایه سرامیکی منجر به ایجاد ترک های افقی، رشد این ترک ها، لایه لایه شدن و پوسته شدن پوشش در سیکل های حرارتی میشود. در آزمون شوک حرارتی وقتی نمونه پوشش داده شده در دماهای بالا از کوره خارج می گردد و به سرعت در آب سرد میشود یک تنش بسیار زیاد به دلیل اختلاف ضرایب انبساط حرارتی بین لایه سرامیکی و لایه میانی فلزی در پوشش ایجاد میشود]13[.
برای بهبود کارایی پوششهای سد حرارتی در طی سیکل های حرارتی تحقیقات زیادی صورت گرفته است]25و27[. برای مثال از طریق کاهش نفوذ اکسیژن در ساختار پوشش سد حرارتی و در نتیجه کاهش سرعت رشد لایه TGO و تنش حاصل از این رشد باعث بهبود کارایی پوشش طی سیکل های حرارتی شده اند. در تحقیق حاضر نیز از لایه مولایت برای کاهش نفوذ اکسیژن به سمت لایه میانی فلزی و جلوگیری از رشد لایه TGO استفاده شده است. زیرا مولایت یک ماده مناسب برای جلوگیری از اکسیداسیون در سیستم پوشش سد حرارتی میباشد و مانند یک سد در برابر نفوذ اکسیژن عمل می نماید.
در شکل 7 تصاویر میکروسکوپ الکترونی بعد از انجام آزمون شوک حرارتی از هر سه نوع پوشش ارائه شده است. همان طور که دیده میشود به دلیل عدم تطابق ضریب انبساط حرارتی در زیر لایه و پوشش سرامیکی و رشد لایه اکسیدی در فصل مشترک لایه فلزی و سرامیکی ترک هایی در این نوع از پوششهای سد حرارتی دیده میشود.
پوششهای کامپوزیتی و گرادیانی از مولایت، درصد انقباض بیشتری را نسبت به پوششهای به تنهایی مولایت از خود نشان می دهند. این دیدگاه در کارهای سایر محققان نیز گزارش شده است]22[. بنابراین همان طور که ازمون شوک حرارتی نشان داد مقاومت به شوک حرارتی پوشش سه لایهای Mullite/YSZ/NiCrAlY بیشتر از پوششهای گرادیانی Mullite/YSZ میباشد.
شکل (7): تصویر میکروسکوپ الکترونی از پوششها بعد از انجام سیکل های آزمون شوک حرارتی در دمای °C1100 الف) پوشش دولایه YSZ/NiCrAlY ب) پوشش سه لایه Mullite/YSZ/NiCrAlY ج) پوشش گرادیانی از Mullite/YSZ
4-3 آنالیز فازی و عنصری پوششها بعد از آزمون شوک حرارتی
دیده شده که درصد انقباض تاثیر ناچیزی بر مقاومت سیکل های حرارتی دارد که به دلیل این است که انقباض فقط در چرخههای اولیه سرمایش و گرمایش رخ می دهد]28و29[. به عبارت دیگر مطابق رابطه گریفیث]28[ ترک هایی که از انقباض ایجاد میشوند بسیار کوچکتر از ترک هایی هستند که از نقص محدود کننده استحکام8 ایجاد میشوند.
شکل 8 الگوهای پراش اشعه ایکس بعد از انجام ازمون شوک حرارتی را نشان می دهد همان طور که ملاحظه میشود هیچ گونه تغییر فازی در حین ازمون شوک حرارتی در پوشش دولایه YSZ/NiCrAlY رخ نداده است و زیرکونیا به صورت فاز تتراگونال پایدار میباشد. بنابراین می توان به این نتیجه رسید که ایجاد ترک ها در این نمونه طی سیکل های شوک حرارتی به علت اختلاف ضرایب انبساط حرارتی بین لایه میانی فلزی و لایه YSZ و تنش های حاصل از رشد لایه TGO میباشد(شکل 8 الف). همچنین برای پوششهای سد حرارتی سه لایهای Mullite/YSZ/NiCrAlY و گرادیانی Mullite/YSZ پیک های با شدت بالا از مولایت دیده میشود و همچنین پیک های با شدت کم از آلومینا پس از آزمون شوک حرارتی مشاهده میشود.
شکل (8): آنالیز فازی مربوط به پوشش سد حرارتی الف) پوشش سد حرارتی YSZ/NiCrAlY ب) پوشش سد حرارتی لایهای از Mullite/YSZ/NiCrAlY ج) پوشش سد حرارتی گرادیانی از Mullite/YSZ
نتایج آنالیز عنصری از سطوح نمونهها بعد از انجام فرایند شوک حرارتی در شکل 9 آورده شده است. مشاهده میشود که برای پوششهای دو لایه مقادیر مربوط به عنصر ایتریوم که به منظور پایدار سازی فاز تتراگونال به زیرکونیا افزوده شده است تقریباً در محدوده مورد نظر باقی مانده است این بدان معناست که در حین ازمون شوک حرارتی هیچ تغییر فازی در زیرکونیا رخ نداده است و زیرکونیا به صورت فاز تتراگونال پایدار میباشد. برای نمونه با پوشش سد حرارتی 3 لایه آنالیز عنصری نشان دهنده وجود عناصر اکسیژن، آلومینیوم و سیلیکون میباشد که همان فاز مولایت است. برای پوشش 6 لایه گرادیانی علاوه بر عناصر مربوط به فاز مولایت، عنصر Zr وجود دارد که به علت گرادیانی بودن این پوشش حضور عنصر زیرکونیوم امکان پذیر است.
شکل (9): آنالیز عنصری از سطوح پوشش سد حرارتی الف) پوشش سد حرارتی دو لایه YSZ/NiCrAlY ب) پوشش سد حرارتی سه لایهای از Mullite/YSZ/NiCrAlY ج) پوشش سد حرارتی گرادیانی از . Mullite/YSZ
4- نتيجهگيري
اصلی ترین دلیل برای کاهش عدد مربوط به درصد تخلخل برای پوششهای گرادیانی Mullite/YSZ افزایش ذرات ذوب شده در این پوششها نسبت به پوششهای دو لایهای YSZ/NiCrAlY و پوششهای سه لایهای Mullite/YSZ/NiCrAlY میباشد. طول عمر پوشش لایهای Mullite/YSZ/NiCrAlY بعد از آزمون شوک حرارتی از پوشش گرادیانی Mullite/YSZ و پوشش YSZ/NiCrAlY بیشتر میباشد. عمر بیشتر پوشش سه لایهای به دلیل کاهش نفوذ اکسیژن و کاهش سرعت رشد لایه TGO در این پوشش نسبت به سایر پوششهای معرفی شده میباشد.
سپاسگزاری
نگارندگان مقاله از حمایت های معنوی و مالی پژوهشگاه مواد و انرژی و کارشناسان آزمایشگاه مرکزی این پژوهشگاه، جهت کمک فنی ، گرد آوری داده ها و تفسیر نتایج قدردانی و تشکر می نمایند.
5- مراجع
[1] G. Meetham, "Mechanisms for increasing high temperature capability: Part B of ‘requirements for and & Design, vol. 9, pp. 308-317, 1988.
]2[ محمد مهدی خرمی راد؛ محمد رضا رحیمی پور؛ سید محمد مهدی هادوی؛ کوروش شیروانی جوزانی، " سنتز پودر هگزا آلومینات لانتانیم (LaMgAl11O19) به منظور پوشش دهی به روش پلاسما اسپری بر روی سوپر آلیاژ پایه نیکل به عنوان پوشش سد حرارتی" فصلنامه فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 12، شماره 3، صفحه 173-183، آذر 1397.
]3[ سعید تقی رمضانی؛ ضیاء والفی؛ ناصر احسانی، " بررسی خواص اکسیداسیون و شوک حرارتی پوشش سپرحرارتی کامپوزیتی YSZ/Al2O3 با آلومینای ایجاد شده با فرایند پاشش حرارتی محلول پیش‌ماده" فصلنامه فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 14، شماره 4، صفحه 77-90 ، دی 1399.
[4] W. Ma, S. Gong, H. Li, and H. Xu, "Novel Thermal Barrier Coatings Based on La2Ce2O7/8YSZ Double-Ceramic-Layer Systems Deposited by Electron Beam Physical Vapor Deposition," Surface and Coatings Technology, vol. 202, pp. 2704–2708, 2008.
[5] H. Vakilifard, R. Ghasemi, and M. Rahimipour, "Hot corrosion behaviour of plasma-sprayed functionally graded thermal barrier coatings in the presence of Na 2 SO4 + V2O5 molten salt," Surface and Coatings Technology, vol. 326, 2017.
[6] J. Allen Haynes, E. Douglas Rigney, M. K. Ferber, and W. D. Porter, "Oxidation and degradation of a plasma-sprayed thermal barrier coating system," Surface and Coatings Technology, vol. 86-87, pp. 102-108, 1996.
[7] M. Mayoral, J. Andrés, M. T. Bona, V. Higuera, and F. Belzunce, "Yttria stabilized zirconia corrosion destabilization followed by Raman mapping," Surface and Coatings Technology, vol. 202, pp. 5210-5216, 2008.
[8] G. Di Girolamo, C. Blasi, L. Pilloni, and M. Schioppa, "Microstructural and thermal properties of plasma sprayed mullite coatings," Ceramics International, vol. 36, pp. 1389-1395, 2010.
[9] S. Seifert, E. Litovsky, J. I. Kleiman, and R. B. Heimann, "Thermal resistance and apparent thermal conductivity of thin plasma-sprayed mullite coatings," Surface and Coatings Technology, vol. 200, pp. 3404-3410, 2006.
[10] J. Berghaus and B. R. Marple, "High-Velocity Oxy-Fuel (HVOF) Suspension Spraying of Mullite Coatings," Journal of Thermal Spray Technology - J THERM SPRAY TECHNOL, vol. 17, pp. 671-678, 2008.
[11] A. Samuli, "Modified tick thermal barrier coatings," Ph.D. Disseration, Institute of Materials Science, 2004.
[12] H. Jamali, R. Mozafarinia, R. Razavi, and R. Ahmadi-Pidani, "Comparison of thermal shock resistances of plasma-sprayed nanostructured and conventional yttria stabilized zirconia thermal barrier coatings," Ceramics International, vol. 38, pp. 6705–6712, 2012.
[13] L. Wang, Y. Wang, X. G. Sun, J. Q. He, Z. Y. Pan, and C. H. Wang, "Thermal shock behavior of 8YSZ and double-ceramic-layer La2Zr2O7/8YSZ thermal barrier coatings fabricated by atmospheric plasma spraying," Ceramics International, vol. 38, pp. 3595-3606, 2012.
[14] A. Khan and J. Lu, "Thermal Cyclic Behavior of Air Plasma Sprayed Thermal Barrier Coatings Sprayed on Stainless Steel Substrates," Surface and Coatings Technology, vol. 201, pp. 4653-4658, 2007.
[15] H. Xu and H. Guo, Thermal barrier coatings: Woodhead Publishing, 2011.
[16] S. Bose, "High temperature coatings: Butterworth-Heinemann Ltd," 2007.
[17] H. Jamali, R. Mozafarinia, R. Razavi, R. Ahmadi-Pidani, and M. Loghman-Estarki, "Fabrication and Evaluation of Plasma-Sprayed Nanostructured and Conventional YSZ Thermal Barrier Coatings," Current Nanoscience, vol. 8, pp. 402-409, 2012.
[18] X. H. Zhong, Y. M. Wang, Z. H. Xu, Y. F. Zhang, J. F. Zhang, and X. Q. Cao, "Hot-corrosion behaviors of overlay-clad yttria-stabilized zirconia coatings in contact with vanadate–sulfate salts," Journal of the European Ceramic Society, vol. 30, pp. 1401-1408, 2010.
[19] D. W. Parker, "Thermal barrier coatings for gas turbines, automotive engines and diesel equipment," Materials & Design, vol. 13, pp. 345-351,1992.
[20] F. H. Yuan, Z. X. Chen, Z. W. Huang, Z. G. Wang, and S. J. Zhu, "Oxidation behavior of thermal barrier coatings with HVOF and detonation-sprayed NiCrAlY bondcoats," Corrosion Science, vol. 50, pp. 1608-1617, 2008.
[21] R. Srinivasan, R. DeAngelis, G. Ice, S. Simpson, J. Harris, and B. Davis, "Identification of tetragonal and cubic structures of zirconia," Technical Report, Jun. 1989 - May 1990 Utah Univ., Salt Lake City. Dept. of Chemistry., 1990.
[22] S. Li, X. Zhao, G. Hou, W. Deng, Y. An, H. Zhou, et al., "Thermomechanical properties and thermal cycle resistance of plasma-sprayed mullite coating and mullite/zirconia composite coatings," Ceramics International, vol. 42, pp. 17447-17455, 2016.
[23] F. Xie, D. Li, W. Zhang, "Long-term failure mechanisms of thermal barrier coatings in heavy-duty gas turbines, Coatings, Vol. 10, pp. 1022-1041, 2020.
[24] R. Ahmadi-Pidani, R. Shoja-Razavi, R. Mozafarinia, and H. Jamali, "Improving the thermal shock resistance of plasma sprayed CYSZ thermal barrier coatings by laser surface modification," Optics and Lasers in Engineering, vol. 50, pp. 780-786, 2012.
[25] Y. Bai, Z. H. Han, H. Q. Li, C. Xu, Y. L. Xu, C. H. Ding, et al., "Structure–property differences between supersonic and conventional atmospheric plasma sprayed zirconia thermal barrier coatings," Surface and Coatings Technology, vol. 205, pp. 3833-3839, 2011.
[26] M. Li, X. Sun, W. Hu, and H. Guan, "Thermocyclic behavior of sputtered NiCrAlY/EB-PVD 7 wt.%Y2O3–ZrO2 thermal barrier coatings," Surface and Coatings Technology, vol. 200, pp. 3770-3774, 2006.
[27] R. Ahmadi-Pidani, R. Shoja-Razavi, R. Mozafarinia, and H. Jamali, "Laser surface modification of plasma sprayed CYSZ thermal barrier coatings," Ceramics International, vol. 39, pp. 2473-2480, 2013.
[28] H. Samadi and E. Garcia, "Thermal conductivity of plasma sprayed forsterite/mullite coatings," Ceramics International, vol. 40, pp. 13995-13999, 2014.
[29] P. Ramaswamy, S. Seetharamu, K. Verma, N. Raman, and K. Rao, "Thermomechanical fatigue characterization of zirconia (8%Y2O3-ZrO2) and mullite thermal barrier coatings on diesel engine components: Effect of coatings on engine performance," Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, vol. 214, pp. 729-742, 05/01 2000.
6- پی نوشت
[1] Air Plasma Spray (APS)
[2] Electron-Beam Physical Vapor Deposition (EB-PVD)
[3] High-Velocity Oxy Fuel (HVOF)
[4] Chemica Vapor Deposition (CVD)
[5] X Ray Diffraction (XRD)
[6] Scanning Electron Microscope (SEM)
[7] Energy Dispersion Spectroscopy (EDS)
[8] Strength–limiting defect
Please cite this article using:
