توسعه پوشش هاي مانع حرارتيGd2Zr2O7 اعمالي به روش پاشش پلاسمايي و بررسي مکانيزم 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.

پوششهاي مانع حرارتي در بخشهاي قطعات داغ موتورهاي توربينهاي گازي جهت حفاظت اعمال ميشوند. ماده زيرکونياي پايدار شده با ايتريا (YSZ) به طور گسترده به عنوان ماده استاندارد براي لايه فوقاني در پوششهاي مانع حرارتي مورد استفاده قرار گرفته است. هرچند مساله اصلي براي استفاده از YSZ محدوديت دماي کاري آن در کاربردهاي طولاني مدت است. مطالعات گسترده روي مواد جايگزينYSZ بهمنظور افزايش بازدهي توربينهاي گازي نشان داده است که زيرکونات گادولونيوم (Gd 2 Zr 2 O 7 )، يکي از موادي است که قابليت استفاده به عنوان ماده TBC در دماهاي بالا را دارد. اين ماده داراي پايداري فازي عالي، هدايت حرارتي پايين، مقاومت به زينترينگ دما بالا و مقاومت شيميايي خوب در برابر نمکهاي مذاب است. اگرچه اين ماده داراي معايبي از جمله، چقرمگي شکست پايين، ضريب انبساط حرارتي پايين و ناسازگاري با لايه رشديافتهحرارتي (TGO) تشکيل شده روي لايه مياني است که منجر به کاهش عمر سيکل حرارتي آنها ميشود. به منظور بهبود چقرمگي شکست و عمر سيکلي حرارتي لايه Gd 2 Zr 2 O 7 تلاشهاي فراواني صورت گرفته است. ترکيبات زيرکونياي پايدار شده با عناصر نادر خاکي (RESZ) به علت دارابودن فاز t¢ داراي چقرمگي شکست بالايي است که ناشي از اثر چقرمهکنندگي فروالاستيک است. در ميان ترکيبات مختلف،زيرکونياي پايدار شده با ايتربيا (YbSZ) بهترين پايداري فازي و چقرمگي شکست عالي را نشان داده است، لذا به عنوان عامل چقرمه کننده براي Gd 2 Zr 2 O 7 قابل استفاده است. در اين پژوهش، ابتدا ترکيبات اوليه YbSZ(حاوي 5 درصد مولي ايتربيا) و Gd 2 Zr 2 O 7 بهترتيب به روشهاي همرسوبي و آلياژسازي ساخته شدند و سپس ترکيبات مختلف (GZO) 1-x (YbSZ) x به مدت 10 ساعت در دماي°C 1600 در کوره با اتمسفر هوا قرار داده شدهاند. بررسيهاي فازي و ساختاري تمام ترکيبات توسط آزمونهاي الگوي پراش پرتو ايکس و آناليز رامان انجام شد. سپس خواص مختلف شامل، سختي، چقرمگي شکست، مدول الاستيک، ضريب انبساط حرارتي و نفوذ حرارتي ترکيبات مختلف اندازهگيري و مقايسه شدند. در مرحله بعد، پودرهايGZO و (GZO) 0.5 (YbSZ) 0.5 به کمک دستگاه خشککن پاششي گرانوله شد. سه نوع پوشش پودرهايGZO و (GZO) 0.5 (YbSZ) 0.5 و دولايه (GZO) 0.5 (YbSZ) 0.5 /YSZ به روش پاشش پلاسمايي اعمال شدند و با پوشش تجاري YSZ مقايسه شدند. پس از بررسي فازي و ريزساختاري به روش الگوي پراش پرتو ايکس و طيفنگاري رامان اين پوششها، آزمونهاي مقاومت به خوردگي و مقاومت به اکسيداسيون انجام شد و رفتار آنها با يکديگر مقايسه شدند. چهار استحاله فازي شامل پيروکلر-پيروکلر نامنظم، پيروکلر-فلوئوريت، فلوئوريت-فلوئوريت/تتراگونال، فلوئوريت/تتراگونال-تتراگونال به ترتيب در ترکيبات سراميکي حاوي 25، 50، 75 و 90 درصد وزني YbSZرخ داد که بر کليه خواص مکانيکي و حرارتي تاثيرگذار نشان داد. ترکيب سراميکي (GZO) 0.5 (YbSZ) 0.5 بيشترين چقرمگي شکست را در ميان ترکيبات با ساختار مکعبي دارا بود. ضريب انبساط حرارتي کليه ترکيات سنتز شده در محدوده k -1 6- 10×5/11- 9 قابل مقايسه با ضريب انبساط حرارتي ترکيب متداول مورد استفاده (YSZ) در پوششهاي مانع حرارتي است. ترکيب (GZO) 0.5 (YbSZ) 0.5 کمترين ميزان ضريب نفوذ حرارتي را نشان داد. نتايج آزمون خوردگي داغ پوششهاي اعمال شده، نشان داد که فاز GdVO 4 به عنوان محصول اصلي خوردگي در تمامي پوششها بوده است و تنها پوشش GZO، به علت چقرمگي شکست ضعيف پس از گذشت زمان 24 ساعت از آزمون، دچار ترکهاي شديد و نهايتا به شکست پوشش منجر شد. پوشش تجاري YSZ بيشترين مقدار فاز مونوکيلينيک را نشان داد که حاکي از پايداري فازي پوششهاي نوين در اين پژوهش در مقايسه با پوششهاي تجاري YSZ است. نتايج آزمون اکسيداسيون پس از گذشت زمان 100 ساعت در دماي °C 900 نشان داد که هرچند افزايش ضخامت لايهTGO تا پايان آزمون اکسيداسيون در پوشش GZO به علت پايين بودن هدايت حرارتي آن کمتر از ساير پوششها بوده است، ولي چقرمگي شکست ضعيف آن و عدم تطابق ضريب انبساط حرارتي بيشتر آن با لايه مياني منجر به شکست پوشش پس از زمان 100 ساعت از آزمون اکسيداسيون ميباشد.