Termal bariyer kaplamaların lazer ile yüzey modifikasyonu özelliklerinin ve korozyon davranışının incelenmesi
Investigation of laser surface modification properties and corrosion behavior of thermal barrier coatings
Yazar: CANER ASLAN
Danışman: PROF. DR. AYŞEGÜL AKDOĞAN EKER
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / İmal Usulleri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Lazerler = Lasers ; Modifikasyon = Modification ; Termal bariyer kaplama = Thermal barrier coating

Özet:
Termal bariyer kaplamalar, yüksek sıcaklığa maruz kalan parçaların korunmasında yaygın olarak kullanılmaktadır. Termal bariyer kaplama sistemi bağ katman ve seramik üst katman olarak iki farklı katmandan oluşmaktadır. Bağ katman altlık malzemeyi oksidasyondan korurken, seramik üst katman düşük termal iletkenlik özelliği ile parçaları yüksek sıcaklık etkisinden korumaktadır. Plazma püskürtme ile üretilen zirkonya esaslı seramik üst katman kaplamaların yüzeyleri pürüz, porozite ve çatlaklar gibi yapısal süreksizlikler içermekte olup kaplamaların sıcak korozyon ve oksidasyona karşı direncini azaltmaktadır. Çalışmanın temel amacı, kaplamadaki yapısal süreksizlikleri lazer yardımıyla en az seviyeye indirmektir. Çalışmada, zirkonya esaslı, itriya ile kararlı hale getirilmiş zirkonya (YSZ), serya-itriya ile kararlı hale getirilmiş zirkonya (CYSZ) ve lantan zirkonat (LZ) kaplamalar plazma püskürtme tekniği ile üretilmiş ve bu kaplamaların optimum lazer yüzey modifikasyon parametreleri belirlenmiştir. Lazer modifikasyon işlemi için seçilen lazer gücü, tarama hızı ve lazer mesafesi parametreleri değiştirilerek seramik üst katman yüzeyinde kaplama tabakasından ayrılmamış, çatlaksız ve yoğun bir mikro yapı elde edilmeye çalışılmıştır. Her bir parametre ile yapılan lazer yüzey modifikasyon tarama izleri elektron mikroskobu ile kesitten ve yüzeyden mikro yapısal olarak incelenmiştir. Elde edilen karakterizasyon sonuçları neticesinde, tüm kaplamalar için lazer gücü %10'dan %24'e doğru arttıkça yüzey üzerinde çatlakların sınırlandırdığı alanların büyüdüğü, yüzeyde oluşan krater benzeri çukurlukların azaldığı görülmüştür. Ortalama 200 mikron kalınlığında olan kaplama kesitlerinden alınan mikro yapı görüntüleri incelemesinde lazerle modifikasyon sonrası yaklaşık 30 mikron kalınlığında katman için sırasıyla en uygun lazer parametreleri; YSZ için %22 lazer gücü (77,7 W), 120 mm/s tarama hızı, 220 mm lazer mesafesi, CYSZ için %12 lazer gücü (36,5 W), 120 mm/s tarama hızı, 220 mm lazer mesafesi, LZ için ise %10 lazer gücü (28 W), 140 mm/s tarama hızı, 200 mm lazer mesafesi olarak belirlenmiştir. Lazerle gerçekleştirilen tam yüzey taraması sonucunda ise; artan ısı girdisi nedeniyle meydana gelen genleşme farklılıkları, üretimi yapılan bağ katman yardımıyla ortadan kaldırılmış ve optimizasyon ile hedeflenen, altlık malzemeden ayrılmamış, büyük çatlak ve boşluk içermeyen, yoğun bir yüzey elde edilmiştir.

Abstract:
Thermal barrier coatings are widely used to protect parts exposed to high temperatures. Thermal barrier coating system consists of two different layers as bond layer and ceramic top layer. While the bond layer protects the substrate from oxidation, the ceramic top layer protects the parts from high temperature effect with its low thermal conductivity feature. The surfaces of zirconia-based ceramic top layer coatings produced by plasma spraying contain structural discontinuities such as roughness, porosity and cracks and decrease the resistance of the coatings to hot corrosion and oxidation. The main purpose of the study is to minimize the structural discontinuities in the coating by laser. In the study, zirconia-based, yttria-stabilized zirconia (YSZ), cerium- yttria-stabilized zirconia (CYSZ) and lanthan zirconate (LZ) coatings were produced by plasma spraying technique and optimum laser surface modification parameters of these coatings were determined. By changing the laser power, scanning speed and laser distance parameters selected for the laser modification process, an attempt was made to obtain a crack-free and dense microstructure on the ceramic top layer surface. Laser surface modification lines made with each parameter were examined micro-structurally from cross section and surface by scanning electron microscope. As a result of the characterization results, it was observed that as the laser power increased from 10% to 24% for all coatings, the areas restricted by the cracks on the surface increased and the crater-like pits formed on the surface decreased. In the examination of the microstructure images taken from the coating sections average of 200 microns thick; the most suitable laser modification parameters, respectively, for a laser-modified layer of approximately 30 microns thick; 22% laser power (77,7 W) for YSZ, 120 mm/s scanning speed, 220 mm laser distance, 12% laser power (36,5 W) for CYSZ, 120 mm/s scanning speed, 220 mm laser distance, laser power (28 W) for LZ 10%, scanning speed 60, laser distance is determined as 220 mm. As a result of laser full surface scanning; The expansion differences due to the increased heat input were eliminated with the help of the bond layer produced and a dense surface was obtained, which was targeted by optimization, was not separated from the backing material, and did not contain large cracks and gaps.