Termal bariyer kaplamaların yüksek sıcaklıkta katı partikül erozyon aşınma davranışının incelenmesi

Abstract

Bu tez çalışmasında, günümüzde enerji dönüşüm santralleri, uzay havacılık sistemleri, jet motorları ve gaz türbinleri gibi sistemlerde kullanılan yüksek sıcaklık çalışma koşullarına sahip malzemeler üzerine dayanım artışı ve ısı yalıtımı amacı ile uygulanan Termal Bariyer Kaplamaların (TBK), Yüksek Sıcaklık Katı Partikül Erozyon (YSKPE) aşınma davranışları incelenmiştir. Deneylerde, ortam değişkenliği etkinliğindeki çalışma sıcaklıkları ve farklı aşındırıcı partikül çarpma açıları ile sabit çarpma hızı ve aşındırıcı partikül boyutu kullanılarak erozyon aşınmasına etki eden güncel ve kapsamlı parametreler araştırılmıştır. Erozyon aşınma deneylerinin karşılaştırmalı etkilerini gözlemlemek amacıyla oda sıcaklığında (21°C) ve yüksek sıcaklıklardaki (300°C ve 600°C) erozyon direnci üzerine çalışmalara odaklanılmış olup özellikle yüksek sıcaklık etkisinde erozyon aşınmasının belirlenmesi üzerine bugüne kadar ülkemizde yapılan çalışmalardan farklı bir özgünlüğü ortaya koymuştur. Yüksek sıcaklık şartlarına uyumlu erozyon aşınma deneylerinin yapılabilmesi amacıyla kompresör girişindeki havanın ısıtılıp basınçlandırılması sonrasında aşındırıcı partikül ile birleştirilerek deney numune yüzeyine çarptırıldığı ve ülkemizde bugüne kadar uygulaması bulunmayan ASTM G211 uluslararası kabul görmüş standart test metoduna uygun olarak özel tasarlanmış YSKPE test cihazında aşınma deneyleri gerçekleştirilmiştir. Bu deneylerin yapımı esnasında ihtiyaç duyulan ve erozyon aşınmasını ölçmede temel bileşen olan aşındırıcı partikül çarpma hızı, literatürde var olan ve deneysel olarak belirlenen çift disk metoduna uyumlu olacak şekilde yeni bir partikül çarpma hız ölçme düzeneği ortaya konularak ~97 m/s değerinde aşındırıcı partikül çarpma hızı belirlenmiştir. Deneylerde yüksek dayanıma sahip süper alaşım Inconel 718 altlık malzemesi seçilmiş olup bu malzeme yüzeyine Atmosferik Plazma Sprey (APS) yöntemi uygulanarak elde edilen iki farklı bağ kaplaması (NiCrAlY ve NiCoCrAlY) ile bu iki bağ kaplaması üzerine ayrı ayrı uygulanan ZrO2–8Y2O3 (8YSZ) özelliğe sahip seramik üst kaplamalar sonucunda dört farklı deney numunesi ürettirilmiştir. Elde edilen deney numune gruplarının mekanik özelliklerini belirlemek amacıyla sertlik, yüzey pürüzlülüğü ve gözeneklilik ölçümleri yapılmıştır. Ölçülen değerlerin ortalaması ve standart sapması alınarak deney numune gruplarının istatiksel olarak anlamlı bir fark oluşturup oluşturmadığını belirlemek amacıyla t testi kıyaslamaları gerçekleştirilmiştir. Bu numuneler daha sonra üç farklı çarpma açısı (30° ,60° ve 90°), üç farklı sıcaklık değeri (21°C, 300°C ve 600°C) ile 400 µm Alümina (Al2O3) aşındırıcı partikül etkisinde ve ~97 m/s sabit çarpma hızında YSKPE deneylerine tabi tutulmuştur. Deneysel sonuçlara bağlı olarak sıcaklık, çarpma açısı, aşındırıcı boyutu ve çarpma hızı etkisindeki erozyon oranı grafikleri oluşturularak deney numunelerine ait yüzey deformasyonlarının SEM görüntüleri alınmış ve yüzey deformasyonları yorumlanmıştır. Ayrıca APS yöntemi ile kaplama işlemi uygulanan deney numunelerinin EDX ve EDX haritalama ile yüzeylerinden görüntü alınarak numunelerdeki elemental homojenlik durumları ispatlanmıştır. Yapılan deneyler sonucunda, sadece bağ kaplanmış numunelerin erozyon aşınmasıyla uyumlu sünek malzeme davranışı gösterdiği ve en fazla erozyon aşınmasını 30° aşındırıcı partikül çarpma açısında gerçekleştirdiği belirlenirken seramik üst kaplama uygulanmış numuneler ise erozyon aşınmasıyla uyumlu gevrek malzeme davranışı göstererek en fazla erozyon aşınmasının 90° aşındırıcı partikül çarpma açısında gerçekleştiği belirlenmiştir. Bu durum göstermiştir ki çarpma açısındaki farklılığa bağlı olarak numunelerdeki erozyon oranı kıyaslamaları yapıldığında termal bariyer etkinliğinin sonucunda 600°C sıcaklıktaki deneylerde erozyon aşınmasına direnç artış eğiliminde olmuştur. Bağ kaplanmış numunelerde yapıya dahil edilen Kobalt (Co) etkisi erozyon direncini artırmada olumlu yönde katkı sağlarken, seramik üst kaplamalarda ise deney numune yapısındaki artan gözeneklilik ile erozyon oranı değerlerinde artış olduğu sonucuna varılmıştır.

In this study, High Temperature Solid Particle Erosion (HTSPE) wear behaviours of Thermal Barrier Coatings (TBC), which are applied for the purpose of increasing the strength and heat insulation on the materials having high temperature working conditions used in systems such as energy conversion plants, aerospace systems, jet engines and gas turbines, were examined. In the experiments, current and comprehensive parameters affecting erosion wear were investigated using variable operating temperatures at working conditions and different abrasive particle impact angles and constant impact velocity and abrasive particle size. In order to observe the comparative effects of erosion wear tests, studies on erosion resistance at room temperature (21°C) and high temperatures (300°C and 600°C) have been focused. Erosion tests were carried out in a specially designed HTSPE test ring in accordance with ASTM G211 internationally accepted standard test method. For this purpose, the air at the inlet of the compressor was heated and pressurized and then combined with abrasive particles and hit the test sample surface. Abrasive particle impact velocity was determined as ~ 97 m/s by widely used, simple, and cheap double disc method which stated in the literature. High strength super alloy Inconel 718 was selected as a substrate material and two different bond coatings (NiCrAlY and NiCoCrAlY) obtained by applying Atmospheric Plasma Spray (APS) method on the surface of this material and, ceramic top coating (ZrO2–8Y2O3) were applied separately on these two bond coatings in the experiments. Four different test specimens were obtained as a result of APS coatings. The hardness, surface roughness and porosity measurements were performed to determine the mechanical properties of the experimental groups. Student t test comparisons were performed to determine if the means of two sets of data are significantly different from each other. These samples were subjected to HTSPE tests with three different impact angles (30°, 60° and 90°), three different temperature values, under the effect of 400 µm alumina (Al2O3) abrasive particles and constant impact velocity. According to the experimental results, erosion rate graphs were formed according to temperature, angle, abrasive size and velocity effect and SEM images of surface deformations of test specimens were obtained and interpreted wear conditions. In addition, the elemental homogeneity conditions in the samples were proved by taking images from the surfaces of the test samples coated by APS method, with EDX and EDX mapping. As a result of the experiments, it was found that only bond coated specimens showed ductile material behaviour and maximum erosion wear occurred at 30° abrasive particle impact angle, while ceramic top coated samples showed brittle material behaviour and maximum erosion wear angle was at 90° abrasive particle impact angle. This showed that, when the erosion rate comparisons were made in the specimens due to the difference in impact angle, resistance to erosion wear tended to increase in the experiments at 600°C as a result of the thermal barrier efficiency. Cobalt (Co) only contributed positively to increase the erosion resistance in the bond coated specimens, while the erosion rate increased with the increased porosity of ceramic topcoats with cobalt added bond coating.