بررسی خواص اکسیداسیون و شوک حرارتی پوشش سپرحرارتی کامپوزیتی YSZ/Al2O3 با آلومینای ایجاد شده با فرایند پاشش حرارتی محلول پیش‌ماده

محورهای موضوعی : خوردگی و حفاظت مواد

سعید تقی رمضانی ¹ , ضیاء والفی ² , ناصر احسانی ³

1 - کارشناس ارشد مهندسی خوردگی و حفاظت از مواد، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران.
2 - استادیار، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران.
3 - استاد، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران.

تاریخ دریافت : 1398/09/26 تاریخ پذیرش : 1398/12/19 تاریخ انتشار : 1399/10/01

کلید واژه: شوک حرارتی, پوشش سپرحرارتی, سد نفوذی آلومینا, پاشش حرارتی محلول پیش‌ماده, اکسیداسیون دما بالا,

چکیده مقاله :

در این تحقیق ابتدا پوشش سپرحرارتی NiCrAlY/YSZ با روش پاشش پلاسمایی اعمال و سپس یک لایه سد نفوذی آلومینا با دو فرایند پاشش پلاسمایی محلول پیش ماده و پاشش شعله ای محلول پیش ماده بر روی YSZ لایه نشانی شد. آزمون های اکسیداسیون دما بالا و شوک حرارتی در دمای C˚1100 انجام گرفتند. مشخصه های ساختاری پوشش ها با استفاده از میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی (FE-SEM) بررسی شدند. مقایسه ی ساختاری نمونه ها نشان داد که اعمال پوشش آلومینا با فرایند پاشش شعله ای محلول پیش ماده سبب افزایش خواص حرارتی پوشش ها می شود. خواص اکسیداسیون دمای بالا و مقاومت در برابر شوک حرارتی پوشش‌های YSZ/Al2O3 با آلومینای ایجادشده به روش پاشش حرارتی محلول پیش ماده با ترکیب مشابه مورد بررسی قرار گرفت. یافته‌ها نشان دادند که اعمال آلومینا به روش پاشش شعله ای محلول پیش ماده منجر به افزایش مقدار اسپلت های تشکیل‌شده می شود که تماس مناسب بین اسپلت‌ها، سبب کاهش نفوذ مولکول‌های اکسیژن می‌شود که در جهت کاهش ضخامت لایه TGO و همچنین افزایش مقاومت در برابر شوک حرارتی عمل می‌کند.

چکیده انگلیسی:

In this research, a double layer thermal barrier coating was applied and then an alumina diffusion barrier layer was deposited on the YSZ by two solution precersore plasma and solution precersore flame spraying. High temperature oxidation and thermal shock resistance tests were done at 1100˚C. Microstructure of coatings were studied by optical Microscopy and Field Emission Scanning Electron Microscopy. Comparison of the microstructures of coatings showed that applying of Alumina with the solution precursor flame spray process upgrades the thermal properties. High temperature oxidation and thermal shock resistance of YSZ/Al2O3 coatings with Alumina applied by the solution precersoure thermal spray with the same compound were studied. Findings showed that applying alumina with the solution precursor flame spray process leads to increase the amount of the deposited splats and proper contact between them, causes to decrease the diffusion of O2 and as a result TGO thickness decreases and also thermal shock resistance increases.

منابع و مأخذ:

 [1] M. Eskner, "Mechanical behaviour of gas turbine coatings," Materialvetenskap, 2004.

 

[2]م. م. خرمی راد، م. رحیمی پور، س. م. م.  هادوی و ک. شیروانی جوزانی، "سنتز پودر هگزا آلومینات لانتانیم (LaMgAl₁₁O₁₉) به‌منظور پوشش دهی به روش پلاسما اسپری بر روی سوپر آلیاژ پایه نیکل به عنوان پوشش سد حرارتی," فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 12، ص 183-173، 2018.

 

[3]R. Vassen, A. Stuke & D. Stöver, "Recent developments in the field of thermal barrier coatings," Journal of thermal spray technology, vol. 1, N. 8, pp, 181-186, 2009.

 

[4]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, pp, 8370-8377, 2011.

 

[5]M. Daroonparvar, M. A. M. Yajid, N. M. Yusof, S. Farahany, M. S. Hussain, H. R. BAKHSHESHI-RAD & et al., "Improvement of thermally grown oxide layer in thermal barrier coating systems with nano alumina as third layer," Transactions of Nonferrous Metals Society of China, vol. 23, pp, 1322-1333, 2013.

 

[6]E. Bouyer, D. Branston, G. Lins, M. Müller, J. Verlegen & M. von Bradke, "Progress in Plasma Processing of Materials ed P Fauchais," ed: New York, USA: Begell House, 1997.

 

[7]L. Jia & F. Gitzhofer, "Induction plasma synthesis of nano-structured SOFCs electrolyte using solution and suspension plasma spraying: a comparative study," Journal of thermal spray technology, vol. 19, pp, 566-574, 2010.

 

[8]P. Bansal, N. P. Padture & A. Vasiliev, "Improved interfacial mechanical properties of Al2O3-13wt% TiO2 plasma-sprayed coatings derived from nanocrystalline powders," Acta Materialia, vol. 51, pp, 2959-2970, 2003.

 

[9]S. Basu & B. M. Cetegen, "Modeling of thermo-physical processes in liquid ceramic precursor droplets injected into a plasma jet," International journal of heat and mass transfer, vol. 50, pp, 3278-3290, 2007.

[10]M. Gell, E. H. Jordan, M. Teicholz, B. M. Cetegen, N. P. Padture, L. Xie & et al., "Thermal barrier coatings made by the solution precursor plasma spray process," Journal of Thermal Spray Technology, vol. 17, pp, 124-135, 2008.

 

[11]A. Ozturk & B. M. Cetegen, "Experiments on ceramic formation from liquid precursor spray axially injected into an oxy-acetylene flame," Acta materialia, vol. 53, pp, 5203-5211, 2005.

 [12]M. Saremi & Z. Valefi, "The effects of spray parameters on the microstructure and thermal stability of thermal barrier coatings formed by solution precursor flame spray (spfs)," Surface and Coatings Technology, vol. 220, pp, 44-51, 2013.

 

[13]E. ASTM, "1920 – 03 Standard Guide for Metallographic Preparation of Thermal Sprayed Coatings," ASTM International, 2003.

 

[14]L. Xie, D. Chen, E. H. Jordan, A. Ozturk, F. Wu, X. Ma & et al., "Formation of vertical cracks in solution-precursor plasma-sprayed thermal barrier coatings," Surface and Coatings Technology, vol. 201, pp, 1058-1064, 2006.

 

[15]M. J. Donachie & S. J. Donachie, Superalloys: a technical guide: ASM international, 2002.

 

[16] س. س. خلیفه سلطانی، ر. ابراهیمی کهریزسنگی و ف. نعیمی، "بررسی رفتار سینتیکی اکسیداسیون ایزوترم دمای بالای پوشش‌های MCrAlY اعمال‌شده به روش HVOF، " فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 10، ص 80-67، 2016.

 [17]P. Fauchais, "Thermal Spray Fundamentals/ Fauchais, P., Heberlein, J., Boulos, M," NY: Springer, p, 600, 2014.

 

[18]F. Wu, E. 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, pp, 1628-1635, 2008.

 

[19]Q. Yu, C. Zhou, H. Zhang & F. Zhao, "Thermal stability of nanostructured 13 wt% Al2O3–8 wt% Y2O3–ZrO2 thermal barrier coatings," Journal of the European ceramic Society, vol. 30, pp. 889-897, 2010.

 

[20]L. Jin, L. Ni, Q. Yu, A. Rauf & C. Zhou, "Thermal cyclic life and failure mechanism of nanostructured 13 wt% Al2O3 doped YSZ coating prepared by atmospheric plasma spraying," Ceramics International, vol. 38, pp, 2983-2989, 2012.

 

[21]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, pp. 311-321, 2004.

 

[22]H. Echsler, V. Shemet, M. Schütze, L. Singheiser, & W. 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, pp. 1047-1058, 2006.

 

[23]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.