توسعه پوشش های مانع حرارتیGd2Zr2O7 اعمالی به روش پاشش پلاسمایی و بررسی مکانیزم عملکرد

STUDENT

DEGREE

YEAR

Thermal barrier coatings (TBCs) are used to protect hot sections of gas turbines. The most common top layer is made of yttria stabilized zirconia (YSZ). However YSZ application is limited to applications below 1200 °C. The search for alternative coatings materials other than the YSZ system to improve engine efficiency has been done. Gd 2 Zr 2 O 7 is one of the promising coating as thermal barrier coating at high temperatures. It has shown to have excellent phase stability, lower thermal conductivity, high sintering resistance and good chemical resistance to molten salt. Gd 2 Zr 2 O 7 TBC have relatively short thermal cycling lifetime, mainly attributable to the poor fracture toughness, low thermal expansion coefficient and chemical incompatibility with thermally growth oxide (TGO) layer. It has been lots of effort to improve its fracture toughness. (Rare earth stabilized zirconia) RESZ with t´ phase has high fracture toughness attributed to ferroelastic toughening, among them YbSZ showed the highest phase stability and fracture toughness. So they used as a toughening agent for Gd 2 Zr 2 O 7 . In this study, firstly, 5 mol.% YbSZ and Gd 2 Zr 2 O 7 were produced by co-precipitation and solid state respectively, then (GZO) 1-x (YbSZ) x compounds sintered at 1600 °C for 10 h to obtain bulk materials. Phase and microstructural investigations were done by X.ray diffraction pattern (XRD) and Raman spectroscopy. Then microhardness, fracture toughness, elastic modulus, thermal expansion coefficient and thermal diffusivity of different compounds were measured and compared. In the next ste GZO and (GZO) 0.5 (YbSZ) 0.5 were granulated by spray dryer. GZO and (GZO) 0.5 (YbSZ) 0.5 single layer coatings and (GZO) 0.5 (YbSZ) 0.5 /YSZ double layer coating were applied by air plasma spray and they compared with commercial YSZ coating. After phase and microstructural investigations by XRD and Raman spectroscopy, the hot corrosion and oxidation resistance of the coatings were done and compered with each other. Four phase transformations pyrochlore- disordered pyrochlore, pyrochlore- fluorite, fluorite – fluorite/ tetragonal and fluorite/ tetragonal- tetragonal occurred in 25 wt.%, 50 wt.%, 75 wt.% and 75 wt.% YbSZ compounds which has effect on all mechanical and thermal properties. (GZO) 0.5 (YbSZ) 0.5 indicated largest fracture toughness among compounds with cubic structures. Their thermal expansion coefficient were around 9-11.5 ×10 -6 K -1 which is comparable with YSZ thermal barrier coatings. The (GZO) 0.5 (YbSZ) 0.5 also showed the least value of thermal diffusivity. The result of hot corrosion test indicated that GdVO 4 was the main corrosion product in all coatings. Spallation and failure occurred in the GZO coating after 24 h of hot corrosion test due to its low fracture toughness. YSZ commercial coating had the highest value of monoclinic phase which is show the better phase stability of new coatings in compare to commercial YSZ coating. The result of oxidation test after 100 h at 900 °C GZO coating with lowest oxidation kinetics and thickness of TGO layer, spalled after 100 h of oxidation because of low fracture toughness and incompatibility of thermal expansion coefficient of GZO layer and bond coat.

پوششهای مانع حرارتی در بخشهای قطعات داغ موتورهای توربینهای گازی جهت حفاظت اعمال میشوند. ماده زیرکونیای پایدار شده با ایتریا (YSZ) به طور گسترده به عنوان ماده استاندارد برای لایه فوقانی در پوششهای مانع حرارتی مورد استفاده قرار گرفته است. هرچند مساله اصلی برای استفاده از YSZ محدودیت دمای کاری آن در کاربردهای طولانی مدت است. مطالعات گسترده روی مواد جایگزینYSZ بهمنظور افزایش بازدهی توربینهای گازی نشان داده است که زیرکونات گادولونیوم (Gd 2 Zr 2 O 7 )، یکی از موادی است که قابلیت استفاده به عنوان ماده TBC در دماهای بالا را دارد. این ماده دارای پایداری فازی عالی، هدایت حرارتی پایین، مقاومت به زینترینگ دما بالا و مقاومت شیمیایی خوب در برابر نمکهای مذاب است. اگرچه این ماده دارای معایبی از جمله، چقرمگی شکست پایین، ضریب انبساط حرارتی پایین و ناسازگاری با لایه رشدیافتهحرارتی (TGO) تشکیل شده روی لایه میانی است که منجر به کاهش عمر سیکل حرارتی آنها میشود. به منظور بهبود چقرمگی شکست و عمر سیکلی حرارتی لایه Gd 2 Zr 2 O 7 تلاشهای فراوانی صورت گرفته است. ترکیبات زیرکونیای پایدار شده با عناصر نادر خاکی (RESZ) به علت دارابودن فاز t¢ دارای چقرمگی شکست بالایی است که ناشی از اثر چقرمهکنندگی فروالاستیک است. در میان ترکیبات مختلف،زیرکونیای پایدار شده با ایتربیا (YbSZ) بهترین پایداری فازی و چقرمگی شکست عالی را نشان داده است، لذا به عنوان عامل چقرمه کننده برای Gd 2 Zr 2 O 7 قابل استفاده است. در این پژوهش، ابتدا ترکیبات اولیه YbSZ(حاوی 5 درصد مولی ایتربیا) و Gd 2 Zr 2 O 7 بهترتیب به روشهای همرسوبی و آلیاژسازی ساخته شدند و سپس ترکیبات مختلف (GZO) 1-x (YbSZ) x به مدت 10 ساعت در دمای°C 1600 در کوره با اتمسفر هوا قرار داده شدهاند. بررسیهای فازی و ساختاری تمام ترکیبات توسط آزمونهای الگوی پراش پرتو ایکس و آنالیز رامان انجام شد. سپس خواص مختلف شامل، سختی، چقرمگی شکست، مدول الاستیک، ضریب انبساط حرارتی و نفوذ حرارتی ترکیبات مختلف اندازهگیری و مقایسه شدند. در مرحله بعد، پودرهایGZO و (GZO) 0.5 (YbSZ) 0.5 به کمک دستگاه خشککن پاششی گرانوله شد. سه نوع پوشش پودرهایGZO و (GZO) 0.5 (YbSZ) 0.5 و دولایه (GZO) 0.5 (YbSZ) 0.5 /YSZ به روش پاشش پلاسمایی اعمال شدند و با پوشش تجاری YSZ مقایسه شدند. پس از بررسی فازی و ریزساختاری به روش الگوی پراش پرتو ایکس و طیفنگاری رامان این پوششها، آزمونهای مقاومت به خوردگی و مقاومت به اکسیداسیون انجام شد و رفتار آنها با یکدیگر مقایسه شدند. چهار استحاله فازی شامل پیروکلر-پیروکلر نامنظم، پیروکلر-فلوئوریت، فلوئوریت-فلوئوریت/تتراگونال، فلوئوریت/تتراگونال-تتراگونال به ترتیب در ترکیبات سرامیکی حاوی 25، 50، 75 و 90 درصد وزنی YbSZرخ داد که بر کلیه خواص مکانیکی و حرارتی تاثیرگذار نشان داد. ترکیب سرامیکی (GZO) 0.5 (YbSZ) 0.5 بیشترین چقرمگی شکست را در میان ترکیبات با ساختار مکعبی دارا بود. ضریب انبساط حرارتی کلیه ترکیات سنتز شده در محدوده k -1 6- 10×5/11- 9 قابل مقایسه با ضریب انبساط حرارتی ترکیب متداول مورد استفاده (YSZ) در پوششهای مانع حرارتی است. ترکیب (GZO) 0.5 (YbSZ) 0.5 کمترین میزان ضریب نفوذ حرارتی را نشان داد. نتایج آزمون خوردگی داغ پوششهای اعمال شده، نشان داد که فاز GdVO 4 به عنوان محصول اصلی خوردگی در تمامی پوششها بوده است و تنها پوشش GZO، به علت چقرمگی شکست ضعیف پس از گذشت زمان 24 ساعت از آزمون، دچار ترکهای شدید و نهایتا به شکست پوشش منجر شد. پوشش تجاری YSZ بیشترین مقدار فاز مونوکیلینیک را نشان داد که حاکی از پایداری فازی پوششهای نوین در این پژوهش در مقایسه با پوششهای تجاری YSZ است. نتایج آزمون اکسیداسیون پس از گذشت زمان 100 ساعت در دمای °C 900 نشان داد که هرچند افزایش ضخامت لایهTGO تا پایان آزمون اکسیداسیون در پوشش GZO به علت پایین بودن هدایت حرارتی آن کمتر از سایر پوششها بوده است، ولی چقرمگی شکست ضعیف آن و عدم تطابق ضریب انبساط حرارتی بیشتر آن با لایه میانی منجر به شکست پوشش پس از زمان 100 ساعت از آزمون اکسیداسیون میباشد.