مشخصه يابي پوشش هاي سد حرارتي ايجاد شده به روش پاشش حرارتي روي کامپوزيت پليمري با زمينه ترموست BMI و تقويت شده با الياف 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 اين پروژه بررسي پوشش هاي سد حرراتي (TBC) رسوب يافته روي کامپوزيت زمينه پليمري با زمينه پليمر ترموست BMI و تقويت کننده الياف کربن با استفاده از روش پاشش حرارتي به منظور افزايش مقاومت به اکسيداسيون و دماي کاري کامپوزيت پليمري زيرلايه مي باشد. دو سيستم پوشش سد حرارتي دو لايه اي با لايه فوقاني مولايت و سه لايه اي با لايه مياني NiCrAlY و لايه فوقاني YSZ توسط روش پاشش پلاسمايي در هوا و لايه هاي پيوندي روي، آلومينيوم، برنز-قلع و برنز-آلومينيوم توسط روش پاشش شعله اي سيمي رسوب داده شدند. ساختار مولکولي، ريزساختار، خواص مکانيکي و حرارتي زيرلايه ،پوشش هاي پيوندي و سد حرارتي با استفاده از آزمون hy;هاي آناليز حرارتي افتراقي (DTA)، آناليز توزين حرارتي (TGA) ، طيف سنجي تبديل فوريه مادون قرمز(FTIR) ، ميکروسکوپ الکتروني روبشي (SEM) ، طيف سنجي تفکيک انرژي پرتو ايکس (EDS)، پراش پرتو ايکس (XRD) ، آناليز ليزر فلاش (LFA) ، ميکروسختي، زبري سنجي، استحکام چسبندگي کششي (TAT) ، شوک حرارتي هم دما و شوک حرارتي تحت شيب دمايي تند مورد ارزيابي قرارگرفت. همچنين از آنالبز المان محدود (FEM) توسط نرم افزار آباکوس به منظور تخمين توزيع تنش هاي پسماند سيستم هاي سد حرارتي در آزمون شوک حرارتي استفاده شد. نتايج نشان داد که رسوب لايه پيوندي توسط فرايند پاشش حرارتي پلاسمايي منجر به ايجاد آسيب حرارتي شديد به زيرلايه و تغيير ساختار مولکولي پليمر زيرلايه و ايجاد حفرات و جدايش در فصل مشترک پوشش/زيرلايه مي شود. در مقابل، لايه هاي پيوندي رسوب داده شده با روش پاشش شعله اي سيمي با ايجاد فصل مشترک چسبان و فاقد حفرات و ترک، استحکام چسبندگي بالاتري را از خود نشان دادند. رسوب لايه فوقاني در هر دو سيستم پوششي بدليل افزايش تنش هاي پسماند کششي در پوشش منجر به کاهش استحکام چسبندگي پوشش به زيرلايه شد. سيستم سد حرارتي دو لايه اي با لايه پيوندي آلومينيوم بدليل نفوذ حرارتي و هدايت حرارتي بالاي آلومينيوم که منجر به انتقال دما و فلاکس حرارتي بالا به زيرلايه حين پاشش لايه فوقاني مولايت مي شود،کاهش چشمگيري در استحکام چسبندگي پس از رسوب لايه فوقاني در مقايسه با ساير سيستم هاي ديگر از خود نشان داد. نتايج آزمون شوک حرارتي هم دما نشان داد که سيستم هاي سد حرارتي با لايه پيوندي برنز-قلع بدليل ضريب انبساط حرارتي (CTE) نزديک تر به زيرلايه بيشترين مقاومت به شوک حرارتي را از خود نشان مي دهد. بررسي نمونه ها پس از آزمون شوک حرارتي نشان داد که مکانيزم تخريب شامل جدايش از فصل مشترک پوشش/زيرلايه بدليل اثر همزمان تنش هاي عدم انطباق حرارتي و اکسيداسيون لايه پيوندي مي باشد. مقايسه دو سيستم پوشش سد حرارتي با ضخامت لايه فوقاني 300 ميکرون نشان داد که سيستم پوشش سد حرارتي سه لايه اي استحکام چسبندگي بالاتر، مقاومت به شوک حرارتي بيشتر (5/1 برابر بالاتر) و هدايت حرارتي بسيار کمتر (يک چهارم برابر) در مقايسه با سيستم پوشش سد حرارتي دو لايه اي دارد. همچنين سيستم پوشش سد حرراتي سه لايه اي تغييرات ملايم تري براي تنش پسماند، سختي و ضريب انبساط حرارتي در راستاي ضخامت پوشش نسبت به سيستم دو لايه اي از خود نشان داد. آناليز المان محدود نشان داد سطح تنش پسماند کششي حرارتي در لايه پيوندي و شيب تغييرات تنش پسماند در فصل مشترک ها در حين سيکل هاي شوک حرارتي در سيستم پوششي سه لايه اي کمتر مي باشد. با افزايش ضخامت لايه فوقاني در هر دو سيستم تا 300 ميکرون، استحکام چسبندگي کاهش و مقاومت به شوک حرارتي افزايش يافت. بررسي مقاومت به شوک حرارتي تحت شيب دمايي تند در سيستم پوشش سد حرارتي سه لايه اي نشان داد که با افزايش دماي سطح پوشش از °C 300 به °C 450، عمر پوشش به شدت کاهش مي يابد. همچنين نرخ کاهش عمر پوشش با افزايش دماي سطح پوشش افزايش يافت به نحوي که کاهش عمر پوشش با تغيير دماي سطح از °C 300 به °C 350 بسيار کمتر از تغيير دماي سطح از °C 350 به °C 400 است. نتايج نشان داد که مکانيزم تخريب شامل جدايش پوشش از فصل مشترک پوشش/زيرلايه بوده که ناشي از شيب تنشي شديد در اين فصل مشترک مي باشد.