SUPERVISOR
Mehdi Salehi
مهدي صالحي (استاد راهنما)
STUDENT
Ali Mohammad bagheri
علي محمدباقري
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
چکيده نتايج تحقيقات نشان ميدهد که پوششهاي سد حرارتي داراي ترکهاي عمودي جهت کار در توربين هاي گازي، نسبت به پوششهايي با ساختارهاي ديگر برتر هستند. اين ترکها تحمل کرنشي پوشش را افزايش داده و درنتيجه تنشهاي حرارتي ايجادشده را کاهش ميدهد و عملکرد بهتري در بهبود مقاومت به شوک حرارتي ارائه ميدهد و افزايش عمر پوشش را نيز به دنبال دارد. دو عامل اصلي محدودکننده عمر پوششهاي سد حرارتي، اکسيداسيون پوشش پيوندي و تنشهاي حرارتي حاصل از عدم انطباق هستند. فرسايش و خوردگي نيز عواملي هستند که در تخريب اين پوششها بخصوص در حضور جريان گرماي زياد و محيطهاي خورنده شرکت ميکنند. تاکنون تلاشهاي فراواني جهت حل اين مشکلات توسط محققان صورت گرفته است. تحقيقات نشان ميدهد فرآيند اصلاح سازي ليزري بهعنوان يک تکنيک اميدبخش جهت بهبود و افزايش طول عمر پوششهاي سد حرارتي پاشش پلاسمايي شده است. اين فرآيند باعث کاهش زبري سطح، ايجاد يکلايه متراکم، عاري از تخلخلهاي باز روي سطح و همراه با شبکه پيوستهاي از ترکهاي عمودي مجزا در سطح ميشود. ذوب ليزري يکلايه صاف و متراکم توليد ميکند، اما به اين خاطر که پس از متمرکز شدن پرتو ليزر روي يک نقطه، سرد شدن بهصورت غيريکنواخت صورت ميگيرد، شبکهاي از ترکها روي سطح توليد ميشوند. ترکهاي شکل يافته در اثر عمليات ليزري براي تطبيق سازي تنشهاي حاصل از اکسيداسيون و عدم انطباق ضريب انبساط حرارتي و افزايش مقاومت به شوک حرارتي مفيد است. طبق مطالعات انجامگرفته کاهش فراوان در زبري سطح نيز باعث بهبود مقاومت به فرسايش و کاهش واکنش خوردگي نمکهاي مذاب با پوشش رويي ميشود. اما تحقيقات انجامگرفته بهصورت ذوب يکلايه سطحي بوده و تحقيقي بهمنظور به دست آوردن عمق ذوب مناسب انجام نگرفته است. در اين پژوهش اصلاح سازي ليزري پوشش زيرکونياي پايدارشده با ايتريا (YSZ 1 ) در عمقهاي مختلف پوشش بهمنظور دستيابي به عمق بهينه ذوب ليزري انجام گرفت. به همين منظور، زيرلايه اي از جنس اينکونل 718 ابتدا با لايه مياني CoNiCrAlY توسط فرايندHVOF و سپس توسط YSZ به کمک فرايند پاشش پلاسمايي اتمسفري پوشش داده شد. سپس توسط ليزر پالسي Nd:YAG سطح پوشش در معرض پرتو ليزر قرار گرفت. پارامترهاي بهينه جهت اصلاح سازي ليزري توسط تغيير توان ليزر، سرعت روبش و فاصله نازل از سطح قطعه به دست آمد. جهت ارزيابي و به دست آوردن پارامترها و عمق ذوب بهينه، بررسي ريزساختاري، آزمون شوک حرارتي و آزمون اکسيداسيون انجام شد. بهمنظور مشخصه يابي و تحليل نتايج، بررسي ريزساختاري توسط ميکروسکوپ نوري و ميکروسکوپ الکتروني روبشي، آناليز عنصري به کمک طيفسنج تفکيک انرژي و آناليز فازي توسط پراشسنج پرتوايکس صورت گرفت. مطابق نتايج آزمون شوک حرارتي، عامل شکست پوشش تنشهاي ناشي از عدم انطباق ضريب انبساط حرارتي پوشش رويي و بخش هاي فلزي سيستم است که اصلاح سازي ليزري اين تنش ها را کاهش داده و سبب بهبود 2 الي 3 برابري طول عمر اوليه مقاومت به شوک حرارتي در همه حالات اصلاح شده ليزري و بهبود بيش از 3 برابري نمونه اصلاح ليزري شده حالت C (ذوب مجدد تا نصف ضخامت پوشش) شده است. نتايج آناليز ريزساختاري بعد از اکسيداسيون نشان داد که ضخامت لايه اکسيد روينده حرارتي (TGO 2 ) و درصد وزني اکسيژن در پوشش هاي ليزر شده سطحي کمتر از پوشش پاشش شده بوده که اين مقدار با افزايش عمق ذوب و همچنين افزايش طول ترک هاي عمودي، به صورت جزيي افزايش يافته است. کلمات کليدي: توربين گازي، پوشش سد حرارتي ترکدار، ترک عمودي، مقاومت به شوک حرارتي، اصلاح سازي ليزري 1 Yttria Stabilized Zirconia 2 Thermally Grow Oxid