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 حرارتی

سعید 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

تاریخ دریافت : 1402/01/26 تاریخ پذیرش : 1403/07/01 تاریخ انتشار : 1403/07/16

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.

چکیده انگلیسی:

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.

منابع و مأخذ:

[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.