SUPERVISOR
Mehdi Salehi
مهدی صالحی (استاد راهنما)
STUDENT
Ali Mohammad bagheri
علی محمدباقری
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1394
TITLE
Development and characterization of thermal barrier coatings with crack for gas turbine blades
Research results show that thermal barrier coatings (TBC) with vertical cracks are better for working in gas turbines than other structures. These cracks increase the strain tolerance of the coating and reduce the thermal stresses and improve the performance of thermal shock resistance and increase the life of the coating.Two main factors limiting the life of thermal barrier coatings are oxidation of bonding coatings and thermal stresses resulting from miss-match. Erosion and corrosion are also factors contributing to the destruction of these coatings, especially in the presence of high heat and corrosive environments. So far, many efforts have been made to solve these problems by researchers. Research has shown that laser refinement is a promising technique for improving the life of thermal barrier coatings. Laser glazing provides a remelting and subsequent solidification of the surface resulting in a dense top layer with a new microstructure and reduced surface roughness, free from porosity but with the formation of crack networks perpendicular to the surface. Laser melting process produces a flat and dense layer, but because after concentrating the laser beam on a point, cooling is carried out unevenly, a network of cracks is produced on the surface. Segmented cracks are expected to be beneficial for accommodating the oxidation stress and mis-match stress and increasing the resistance to thermal shock. According to studies, abundant reduction in surface roughness improves erosion resistance and reduces the reaction of corrosion of molten salts with top coatings. However, the research was carried out as a melting of a superficial layer and and no research has been done to obtain the optimum melt depth. In this study, laser remelting of yttria stabilized zirconia(YSZ) at different depths of coating was performed to achieve optimal laser melting depth. In this study, laser remelting of yttria stabilized zirconia (YSZ) at different depths of coating was performed to achieve optimal laser melting depth. For this purpose, substrates of Inconel 718 superalloy coupons were first sprayed with a CoNiCrAlY bondcoat by the HVOF process and then with (YSZ) topcoat by air plasma spraying (APS). After that, the plasma sprayed YSZ thermal barrier coatings (TBCs) were treated using a pulsed Nd:YAG laser. The optimal parameters for laser modification were obtained by changing the laser power, scanning speed and nozzle distance from the surface of the piece. To evaluate and obtain parameters and optimum melt depth, microstructural analysis, thermal shock test and oxidation test were performed. In order to characterize and analyze the results, microstructure study by optical microscope and scanning electron microscopy, elemental analysis was performed using energy Dispersive Spectroscopy(EDS) and fuzzy analysis by X-ray diffractometry (XRD). According to the results of the thermal shock test, the coating failure factor is due to the miss-match of the coefficient of thermal expansion of the overlay and the metal parts of the system, which reduces the laser modification of these stresses And improve the initial thermal shock resistance of 2 to 3 times in all of the laser states and improve more than 3 times the C model (remelting to half the thickness of the coating).The results of the microstructure analysis after oxidation test showed that the thickness of the Thermally Grow Oxid (TGO) and the oxygen content in the surface lasered were lower than the spray coating, which increased again with increasing melting depth. Keywords: Gas turbine, thermal barrier coating with crack, Vertical cracks, Thermal shock resistance, Laser remelting
نتایج تحقیقات نشان میدهد که پوششهای سد حرارتی دارای ترکهای عمودی جهت کار در توربین های گازی، نسبت به پوششهایی با ساختارهای دیگر برتر هستند. این ترکها تحمل کرنشی پوشش را افزایش داده و درنتیجه تنشهای حرارتی ایجادشده را کاهش میدهد و عملکرد بهتری در بهبود مقاومت به شوک حرارتی ارائه میدهد و افزایش عمر پوشش را نیز به دنبال دارد. دو عامل اصلی محدودکننده عمر پوششهای سد حرارتی، اکسیداسیون پوشش پیوندی و تنشهای حرارتی حاصل از عدم انطباق هستند. فرسایش و خوردگی نیز عواملی هستند که در تخریب این پوششها بخصوص در حضور جریان گرمای زیاد و محیطهای خورنده شرکت میکنند. تاکنون تلاشهای فراوانی جهت حل این مشکلات توسط محققان صورت گرفته است. تحقیقات نشان میدهد فرآیند اصلاح سازی لیزری بهعنوان یک تکنیک امیدبخش جهت بهبود و افزایش طول عمر پوششهای سد حرارتی پاشش پلاسمایی شده است. این فرآیند باعث کاهش زبری سطح، ایجاد یکلایه متراکم، عاری از تخلخلهای باز روی سطح و همراه با شبکه پیوستهای از ترکهای عمودی مجزا در سطح میشود. ذوب لیزری یکلایه صاف و متراکم تولید میکند، اما به این خاطر که پس از متمرکز شدن پرتو لیزر روی یک نقطه، سرد شدن بهصورت غیریکنواخت صورت میگیرد، شبکهای از ترکها روی سطح تولید میشوند. ترکهای شکل یافته در اثر عملیات لیزری برای تطبیق سازی تنشهای حاصل از اکسیداسیون و عدم انطباق ضریب انبساط حرارتی و افزایش مقاومت به شوک حرارتی مفید است. طبق مطالعات انجامگرفته کاهش فراوان در زبری سطح نیز باعث بهبود مقاومت به فرسایش و کاهش واکنش خوردگی نمکهای مذاب با پوشش رویی میشود. اما تحقیقات انجامگرفته بهصورت ذوب یکلایه سطحی بوده و تحقیقی بهمنظور به دست آوردن عمق ذوب مناسب انجام نگرفته است. در این پژوهش اصلاح سازی لیزری پوشش زیرکونیای پایدارشده با ایتریا (YSZ 1 ) در عمقهای مختلف پوشش بهمنظور دستیابی به عمق بهینه ذوب لیزری انجام گرفت. به همین منظور، زیرلایه ای از جنس اینکونل 718 ابتدا با لایه میانی CoNiCrAlY توسط فرایندHVOF و سپس توسط YSZ به کمک فرایند پاشش پلاسمایی اتمسفری پوشش داده شد. سپس توسط لیزر پالسی Nd:YAG سطح پوشش در معرض پرتو لیزر قرار گرفت. پارامترهای بهینه جهت اصلاح سازی لیزری توسط تغییر توان لیزر، سرعت روبش و فاصله نازل از سطح قطعه به دست آمد. جهت ارزیابی و به دست آوردن پارامترها و عمق ذوب بهینه، بررسی ریزساختاری، آزمون شوک حرارتی و آزمون اکسیداسیون انجام شد. بهمنظور مشخصه یابی و تحلیل نتایج، بررسی ریزساختاری توسط میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی، آنالیز عنصری به کمک طیفسنج تفکیک انرژی و آنالیز فازی توسط پراشسنج پرتوایکس صورت گرفت. مطابق نتایج آزمون شوک حرارتی، عامل شکست پوشش تنشهای ناشی از عدم انطباق ضریب انبساط حرارتی پوشش رویی و بخش های فلزی سیستم است که اصلاح سازی لیزری این تنش ها را کاهش داده و سبب بهبود 2 الی 3 برابری طول عمر اولیه مقاومت به شوک حرارتی در همه حالات اصلاح شده لیزری و بهبود بیش از 3 برابری نمونه اصلاح لیزری شده حالت C (ذوب مجدد تا نصف ضخامت پوشش) شده است. نتایج آنالیز ریزساختاری بعد از اکسیداسیون نشان داد که ضخامت لایه اکسید روینده حرارتی (TGO 2 ) و درصد وزنی اکسیژن در پوشش های لیزر شده سطحی کمتر از پوشش پاشش شده بوده که این مقدار با افزایش عمق ذوب و همچنین افزایش طول ترک های عمودی، به صورت جزیی افزایش یافته است. کلمات کلیدی: توربین گازی، پوشش سد حرارتی ترکدار، ترک عمودی، مقاومت به شوک حرارتی، اصلاح سازی لیزری 1 Yttria Stabilized Zirconia 2 Thermally Grow Oxid