شماره راهنما :
1959 دكتري
پديد آورنده :
صدري، احسان
عنوان :
ارزيابي عملكرد و مكانيزمهاي تخريب پوششهاي چندلايه سد حرارتي شامل لايه رويي گادولينيوم زيركونات به روش پاشش حرارتي
گرايش تحصيلي :
مهندسي مواد
محل تحصيل :
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
صفحه شمار :
دوازده، 126 ص: مصور، جدول، نمودار
استاد راهنما :
فخرالدين اشرفي‌زاده، عبدالمجيد اسلامي
استاد مشاور :
حميدرضا سليمي جزي
توصيفگر ها :
پوششهاي چندلايه سد حرارتي , گادولينيوم زيركونات , پيروكلر , شوك حرارتي , خستگي سيكل حرارتي , خوردگي داغ , مكانيزم تخريب , راچتينگ
استاد داور :
احمد كرمانپور، مهران نحوي، سعيدرضا بخشي
تاريخ ورود اطلاعات :
1401/07/26
رشته تحصيلي :
مهندسي مواد و متالورژي
تاريخ ويرايش اطلاعات :
1401/07/27
چكيده فارسي :
براي افزايش بهر ه‌وري در توربينهاي گازي (هوايي و نيروگاهي) نياز به افزايش دماي بالاتر از °C1200 در سطح پوشش سد حرارتي (TBC)
و ايجاد گراديان دمايي بيش از °C200 با زيرلايه فلزي بوده كه در پوششهاي متداول TBC با محدودي تهايي همراه است. در اين پژوهش
عملكرد و مكانيزمهاي تخريب پوششهاي سد حرارتي نوين از دو ديدگاه، تركيب شيميايي و طراحي ريزساختار، ارزيابي شده است.
به جهت اصلاح تركيب شيميايي از پوشش رويي (TC) پيروكلر گادولينيوم زيركونات (GZO) با هدف بهبود كاركرد نارسانايي حرارتي و
افزايش عمر سيكلي پوشش استفاده شد، از عناصر هافنيوم و سيليسيم نيز به منظور افزايش چسبندگي لايه اكسيد حرارتي (TGO) و اصلاح
رفتار محافظتي پوشش پيوندي استفاده گرديد. در راستاي طراحي ريزساختار، با توجه به عملكرد چندگانه همزمان TBC از پوششهاي
چندلايه با نقش اختصاصي لايه‌ها استفاده شد. به اين منظور، نقش پوشش پيوندي (BC) به دو لايه با كاركرد جداگانه‌ي بهبوديافته تفكيك
گرديد. پوشش سراميكي رويي GZO براي افزايش نارسانايي حرارتي و پوشش مياني YSZ براي ايجاد تافنس شكست پوشش و انطباق
مناسب با BC استفاده شد. آزمون‌هاي شوك حرارتي، خستگي سيكل حرارتي (اكسيداسيون سيكلي) و خوردگي داغ محيط واناداتي براي
ارزيابي عملكرد حرارتي و محيطي پوشش‌ها متناسب با شرايط حرارتي و محيطي مورد نياز توربين‌ها اعمال شد. با ايجاد ريزساختار دوگانه‌ي
بهينه اي از توزيع حفرات در GZO پيروكلر، مقاومت زينترينگ ، نارسانايي حرارتي و عمر GZO افزايش يافت. انطباق مناسب پوشش مياني
فلزي با ريزساختار APS موجب افزايش استحكام اتصال فصل مشترك با TC و افزايش تحمل تنشي پوشش، هنگام رشد TGO شده كه عمر
خستگي و شوك حرارتي پوشش را به صورت قابل توجهي افزايش داد. حضور اكسيدهاي غني از هافنيوم باعث كاهش رشد و نرخ راچتينگ
TGO شده است. پوشش چهار لايه NiCoCrAlY(HfSi)-HVOF/NiCoCrAlY(HfSi)-APS/YSZ-APS/GZO-APS داراي عمر خستگي
حرارتي (بيش از 50 %) و شوك حرارتي (بيش از 100 %) بيشتري نسبت به پوششهاي متداول هستند. شايان ذكر است هر يك از لايه‌هاي
فوق در اين پوشش داراي نقش‌هاي اختصاصي نارسانايي حرارتي، تافنس شكست در نواحي پر تنش، چسبندگي فصل مشترك BC/TC ،
محافظت اكسيداسيوني BC و افزايش مقاومت خزشي BC هستند. ارزيابي مقاومت خوردگي داغ پوشش‌ها در محيط نمك‌هاي واناداتي
دماي °C1000 نشان داد جدا شدن لايه‌ي سراميكي رويي عامل كنترل كننده‌ي عمر خوردگي داغ اين TBC ها است. تشكيل واناداتهاي
گادولينيوم و ايتريوم به ترتيب در GZO و YSZ و متعاقبا استحاله مارتنزيتي مونوكلينيك زيركونياي باقيمانده باعث تشديد تنشها و جوانه‌زني
ترك‌هاي افقي درون لايه سراميكي شده است. نقش ريزساختار بهينه GZO در بهبود عمر خوردگي داغ اين پوشش‌ها كليدي است به نحوي
كه در ريزساختار بهينه، زمان جدا شدن ورقه‌اي آن حدود سه برابر بيشتر شده است. با توجه به نتايج مي‌توان بيان نمود براي افزايش بيشتر
عمر حرارتي اين پوشش‌ها، نياز به بهبود استحكام فصل مشترك سراميكي GZO/YSZ و ريزساختار لايه مياني فلزي است.
چكيده انگليسي :
Most applicable thermal performances and environmental failure analysis of multilayer thermal barrier coatings with yttria-stabilized zirconia (YSZ) and gadolinium zirconate (GZO) top layers were comprehensively investigated to compensate the demand for higher efficiency gas turbine engines. Here, four types of coatings comprised of three-layer and advanced four-layer with HVOF and LPPS bondcoats along with two types of topcoats (YSZ and GZO) were produced and exposed to thermal shock (TS) and thermal cyclic fatigue (TCF) tests at both 1100 and 1200°C, as well as exposed to Vanadate environment of hot corrosion at 1000°C. For the TS and TCF scenarios, the microstructure of GZO, interlamellar and interfacial TGO morphologies, the ratcheting rate and its features, consumption of aluminum, the interdiffusion between bondcoat and the substrate and, ultimately, the performance of layers and their constitutions were evaluated in the multilayered coatings. According to the results, the bimodal microstructure of the top layer GZO assists with improving the sintering resistance and durability of the coatings. Moreover, although the four-layer advanced coating with a GZO top layer exhibited a much higher lifetime (more than 50% at TCF and 100% at TS), for the enhanced TS performance to keep on, the strength of GZO/YSZ interface and the structure of bondcoat-APS must be improved. Whereas, for the enhanced TCF performance to keep on, the adhesion at TC/BC interface and the oxidation resistance of the both bondcoats must be improved. The horizontal cracks propagated within the ceramic top layers were the limiting factor of hot corrosion lifetime of all evaluated multilayer coatings. Formation of YVO4 and GdVO4 columnar grains and the consequent monoclinic phase transformation of ZrO2 sublattice in both GZO and YSZ top layers were the major factor for stress concentration along with nucleation and propagation of spallation cracks within the lamellas. The bimodal microstructure of micro/nano porosities in GZO contributes to the failure crack arresting and enhances hot corrosion lifetime of layer at least three times greater than the optimized YSZ layer.
استاد راهنما :
فخرالدين اشرفي‌زاده، عبدالمجيد اسلامي
استاد مشاور :
حميدرضا سليمي جزي
استاد داور :
احمد كرمانپور، مهران نحوي، سعيدرضا بخشي
