مشخصه یابی پوشش های سد حرارتی ایجاد شده به روش پاشش حرارتی روی کامپوزیت پلیمری با زمینه ترموست BMI و تقویت شده با الیاف کربن

STUDENT

DEGREE

YEAR

The present study has discussed the deposited double layer and triple layer thermal barrier coatings (TBC) onto a carbon-fiber reinforced bismaleimide (BMI) matrix composite. These polyimide matrix composites are of interest to replace PMR-15, due to concerns about the toxicity of the MDA monomer from which PMR-15 is made. The microstructural, mechanical and thermal properties of the TBC systems were evaluated through x-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), tensile adhesion strength testing (TAT), micro-hardness tests, roughness measurement, thermal shock testing, thermal gradient test and laser flash analysis (LFA). The results showed that pores and cracks appeared for the Al-bonded TBC because of its high thermal conductivity and diffusivity resulted in transferring high heat flux and temperature to the polymeric substrate during top coat deposition. While, the other TBC systems due to the lower conductivity and diffusivity of bonding layers could decrease the adverse thermal effect on the polymer substrate during top coat deposition and exhibited adhesive bond coat/substrate interfaces. The tensile adhesion test (TAT) showed that the adhesion strength of the coatings to the substrate is inversely proportional to the level of residual stress in the coatings. However, the adhesion strength of Al bond coated sample decreased strongly after mullite top coat deposition due to thermal damage at the bond coat/substrate interface. TBC system with the Cu-6Sn bond coat exhibited the best thermal shock resistance while, Al-bonded TBC showed the lowest. It was inferred that thermal mismatch stresses and oxidation of the bond coats were the main factors causing failure in the thermal shock test. A comparison of the microstructure of the ceramic top coats of double layer and triple layer TBC systems showed that the YSZ had a homogeneous structure with high crystallinity while the mullite exhibited a multi-phase structure containing mullite, alumina (?-Al 2 O 3 ) and amorphous phases. The mullite layer recorded higher residual stress than that the YSZ layer because of its higher Young's modulus and the transformation of the mullite phase to alumina and amorphous phases during deposition. The adhesion strength of the sample with a triple-layer coating was greater than that with a double-layer coating because it exhibited a milder residual stress gradient across the coating. The thermal shock resistance of the triple-layer coated sample was 1.5-fold greater than that of the double-layer coated sample. This could be due to the existence of an oxidation-resistant layer of NiCrAlY and smaller differences in the coefficients of thermal expansion between coating layers in the triple-layer coating system. Thermal conductivity of the triple-layer coating sample was much less than that of the double-layer coating which can increase the operating temperature of the polymeric substrate to a higher value. Thermal gradient cycling test at the coating surface temperature between 300°C to 450°C showed that the increase of surface temperature is followed by the significant decrease of TBC lifetime. The failure mode was the crack formation and delamination at the bond coat/substrate interface.

هدف از این پروژه بررسی پوشش های سد حرراتی (TBC) رسوب یافته روی کامپوزیت زمینه پلیمری با زمینه پلیمر ترموست BMI و تقویت کننده الیاف کربن با استفاده از روش پاشش حرارتی به منظور افزایش مقاومت به اکسیداسیون و دمای کاری کامپوزیت پلیمری زیرلایه می باشد. دو سیستم پوشش سد حرارتی دو لایه ای با لایه فوقانی مولایت و سه لایه ای با لایه میانی NiCrAlY و لایه فوقانی YSZ توسط روش پاشش پلاسمایی در هوا و لایه های پیوندی روی، آلومینیوم، برنز-قلع و برنز-آلومینیوم توسط روش پاشش شعله ای سیمی رسوب داده شدند. ساختار مولکولی، ریزساختار، خواص مکانیکی و حرارتی زیرلایه ،پوشش های پیوندی و سد حرارتی با استفاده از آزمون hy;های آنالیز حرارتی افتراقی (DTA)، آنالیز توزین حرارتی (TGA) ، طیف سنجی تبدیل فوریه مادون قرمز(FTIR) ، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) ، طیف سنجی تفکیک انرژی پرتو ایکس (EDS)، پراش پرتو ایکس (XRD) ، آنالیز لیزر فلاش (LFA) ، میکروسختی، زبری سنجی، استحکام چسبندگی کششی (TAT) ، شوک حرارتی هم دما و شوک حرارتی تحت شیب دمایی تند مورد ارزیابی قرارگرفت. همچنین از آنالبز المان محدود (FEM) توسط نرم افزار آباکوس به منظور تخمین توزیع تنش های پسماند سیستم های سد حرارتی در آزمون شوک حرارتی استفاده شد. نتایج نشان داد که رسوب لایه پیوندی توسط فرایند پاشش حرارتی پلاسمایی منجر به ایجاد آسیب حرارتی شدید به زیرلایه و تغییر ساختار مولکولی پلیمر زیرلایه و ایجاد حفرات و جدایش در فصل مشترک پوشش/زیرلایه می شود. در مقابل، لایه های پیوندی رسوب داده شده با روش پاشش شعله ای سیمی با ایجاد فصل مشترک چسبان و فاقد حفرات و ترک، استحکام چسبندگی بالاتری را از خود نشان دادند. رسوب لایه فوقانی در هر دو سیستم پوششی بدلیل افزایش تنش های پسماند کششی در پوشش منجر به کاهش استحکام چسبندگی پوشش به زیرلایه شد. سیستم سد حرارتی دو لایه ای با لایه پیوندی آلومینیوم بدلیل نفوذ حرارتی و هدایت حرارتی بالای آلومینیوم که منجر به انتقال دما و فلاکس حرارتی بالا به زیرلایه حین پاشش لایه فوقانی مولایت می شود،کاهش چشمگیری در استحکام چسبندگی پس از رسوب لایه فوقانی در مقایسه با سایر سیستم های دیگر از خود نشان داد. نتایج آزمون شوک حرارتی هم دما نشان داد که سیستم های سد حرارتی با لایه پیوندی برنز-قلع بدلیل ضریب انبساط حرارتی (CTE) نزدیک تر به زیرلایه بیشترین مقاومت به شوک حرارتی را از خود نشان می دهد. بررسی نمونه ها پس از آزمون شوک حرارتی نشان داد که مکانیزم تخریب شامل جدایش از فصل مشترک پوشش/زیرلایه بدلیل اثر همزمان تنش های عدم انطباق حرارتی و اکسیداسیون لایه پیوندی می باشد. مقایسه دو سیستم پوشش سد حرارتی با ضخامت لایه فوقانی 300 میکرون نشان داد که سیستم پوشش سد حرارتی سه لایه ای استحکام چسبندگی بالاتر، مقاومت به شوک حرارتی بیشتر (5/1 برابر بالاتر) و هدایت حرارتی بسیار کمتر (یک چهارم برابر) در مقایسه با سیستم پوشش سد حرارتی دو لایه ای دارد. همچنین سیستم پوشش سد حرراتی سه لایه ای تغییرات ملایم تری برای تنش پسماند، سختی و ضریب انبساط حرارتی در راستای ضخامت پوشش نسبت به سیستم دو لایه ای از خود نشان داد. آنالیز المان محدود نشان داد سطح تنش پسماند کششی حرارتی در لایه پیوندی و شیب تغییرات تنش پسماند در فصل مشترک ها در حین سیکل های شوک حرارتی در سیستم پوششی سه لایه ای کمتر می باشد. با افزایش ضخامت لایه فوقانی در هر دو سیستم تا 300 میکرون، استحکام چسبندگی کاهش و مقاومت به شوک حرارتی افزایش یافت. بررسی مقاومت به شوک حرارتی تحت شیب دمایی تند در سیستم پوشش سد حرارتی سه لایه ای نشان داد که با افزایش دمای سطح پوشش از °C 300 به °C 450، عمر پوشش به شدت کاهش می یابد. همچنین نرخ کاهش عمر پوشش با افزایش دمای سطح پوشش افزایش یافت به نحوی که کاهش عمر پوشش با تغییر دمای سطح از °C 300 به °C 350 بسیار کمتر از تغییر دمای سطح از °C 350 به °C 400 است. نتایج نشان داد که مکانیزم تخریب شامل جدایش پوشش از فصل مشترک پوشش/زیرلایه بوده که ناشی از شیب تنشی شدید در این فصل مشترک می باشد.