Termal bariyer kaplamaların izotermal oksidasyon davranışlarının incelenmesi
Investigation of isothermal oxidation behavior of thermal barrier coatings
Yazar: ABDULLAH SELİM PARLAKYİĞİT
Danışman: DOÇ. DR. TURGUT GÜLMEZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Günümüzde giderek artan ihtiyaçlar ve teknolojik gelişmelere paralel olarak, makine elemanları ve sistemler karmaşık ve zorlu çalışma koşullarına daha fazla maruz kalmaktadırlar. Birçok uygulama alanında karşılaşılan yüksek sıcaklığa dayanım problemi de bu ağır koşullardan birisidir. Bu şartlarda hizmet verebilme ihtiyacı yeni malzemelerin keşfedilmesini gerekli kılmıştır. Süperalaşımların yönlü katılaştırılması ve tek kristalli üretimi gibi yeni üretim tekniklerinin gelişimi, malzemelerin yüksek sıcaklıklarda dayanım ve çalışma performansında ciddi gelişmeler sağlanmıştır. Ancak bu malzemelerin de şu anda ergime noktalarına çok yakın sıcaklıklarda çalışması ortaya çıkabilecek problemler açısından yeni yaklaşımların geliştirilmesine neden olmuştur. 
Termal bariyer kaplamaların keşfi yüksek sıcaklık malzemeleri alanında büyük bir atılım olarak kabul edilmektedir. Termal bariyer kaplama (TBC) sistemleri havacılık ve endüstriyel gaz türbin motorlarında, parçaları sıcak gazların olumsuz etkilerinden korumak ve termal verimi amacıyla kullanılmaktadırlar. Bir TBC sistemi tipik olarak; uygun bir süper alaşım altlık malzemeden, yalıtım amaçlı seramik bir üst kaplamadan, altlık malzemesini oksidasyona karşı koruyan ve üst kaplama ile atlık malzeme arasındaki termal uyumsuzluğu önleyen metalik bir bağ kaplamadan ve kaplamanın biriktirilme süreciyle başlayıp servis süresi boyunca gelişen bir termal büyüyen oksit (TGO) tabakasından oluşmaktadır. 
Gaz türbinlerindeki TBC uygulamalarında günümüzde gelinen noktada, üst kaplama malzemesi olarak ağırlıkça %8 oranında yitriya ile stabilize edilmiş zirkonyum oksit seramiği, bağ kaplama malzemesi olarak ise MCrAlY (M: Ni ve/veya Co) kompozisyonuna sahip bir metalik bir bağ kaplama türü kullanılmaktadır. Üst kaplamalar genellikle plazma sprey (PS) ve elektron demetiyle fiziksel buhar çöktürme (EB-PVD) yöntemleri ile üretilebilirken bağ kaplama üretiminde ise farklı termal spreyleme yöntemleri kullanılmaktadır. Ancak ekonomikliği ve sistem parametrelerinde sağladığı esneklik nedeniyle atmosferik plazma sprey tekniği yaygın bir şekilde tercih edilmektedir. 
TBC' lerin hayati öneme sahip uygulamalarda kullanılmasından dolayı ömürlerinin doğru tahmin edilmesi büyük önem arz etmektedir. Ömür tahminlerinin de güvenilir bir şekilde yapılması TBC' lerde meydana gelen hasar mekanizmalarının anlaşılabilmesine bağlıdır. TGO tabakasının gelişimi ve seramik üst kaplamada oluşan sinterlenme etkisi TBC' lerde hasarı tetikleyen mekanizmalar olarak göze çarpmaktadır. 
Bu çalışmada Inconel 718 süperalaşım altlık malzeme üzerine, atmosferik plazma sprey tekniğiyle NiCrAlY bağ kaplama ve YSZ (ZrO2+Y2O3) üst kaplama içeren termal bariyer kaplamalar üretilmiştir. Üretim sonrası numuneler farklı sıcaklık ve sürelerle izotermal oksidasyon testlerine maruz bırakılmıştır. Karakterizasyon aşaması, metalografik numune hazırlama sürecini, mikroyapısal incelemeleri ve mekanik testleri kapsamaktadır. 
Çalışmalar sonucunda oksidasyon sıcaklığı ve süresine bağlı olarak TGO tabakası kalınlığının arttığı görülmüştür. Bunun yanında seramik tabakada bazı mikroyapısal ve mekanik değişimlerin meydana geldiği tespit edilmiştir. Bu dönüşümler sonrası TBC sistemi hasara daha eğilimli hale gelmiştir.

Abstract:
Nowadays, mechanical systems and machine parts are exposed to complex and harsh conditions according to increasing demands and technological developments. A strength against to high temperature is also one of the most important issue in many application areas. The necessity of working under these conditions called for invention of new materials. Development of new production techniques such as directional solidification and single crystallization of alloys provides very serious improvements in the matter of strength against to high temperature and working performance. However, working of materials produced with these techniques at temperatures that are very close to melting points, triggered developments of new approaches. 
Invention of thermal barrier coatings is accepted a major breakthrough in high temperature materials field. Thermal barrier coating systems (TBCs) are used in aeronautical and en gas turbines in order to protect main component from detrimental effect of hot gases and increasing thermal efficiency of system. A TBC system is typically consist of, a suitable superalloy substrate material, a ceramic top coat providing thermal insulation, a metallic bond coat protecting the substrate material against to oxidation and preventing thermal mismatch between the substrate and top-coat and, an thermally oxide (TGO) layer that starts with the coating process going on with growing under service conditions. 
State of the art in TBC application of gas turbines, yttrium stabilized zirconia ceramics are used as a topcoat material, MCrAlY (M: Ni, Co) metallic coats are used as a bond coat material. While the topcoats of TBCs are commonly produced with atmospheric plasma spray (APS) or electron beam physical vapor deposition (EB-PVD) methods, different thermal spraying techniques are used in bond coat production. However, atmospheric plasma spray technique is largely preferred since it provides flexibility in system parameters and cost effectiveness. 
Estimation of the coating system durability is very important since the TBCs are used in vital important applications. Safely estimation of the TBCs durability depends on to be understood of failure mechanisms occurring in TBCs. Growing of TGO layer and sintering of ceramic topcoat are some of the mechanisms triggering the failure. 
In this study, thermal barrier coatings consisting of YSZ (ZrO2+Y2O3) topcoat and NiCrAlY bond coat were produced with atmospheric plasma spray technique on Inconel 718 superalloy substrate. Specimens are exposed to isothermal oxidation tests with different temperatures and periods after the production. Characterization level includes metallographic specimens preparing process, microstructural investigations and mechanical tests. 
As a result of studies, thickness of TGO layer increased and some mechanical and microstructural changes occurred in ceramic layer according to oxidation temperatures and times. The TBC system was become more prone to failure after these transformations.