Atmosferik plazma sprey yöntemiyle üretilmiş %6 – 8 YSZ termal bariyer kaplamaların porozitesinin yapay sinir ağları ile modellenmesi
Artificial neural networks modeling of porosity of 6 - 8% YSZ thermal barrier coatings produced with atmospheric plasma spray method
Yazar: UTKU ORÇUN GEZİCİ
Danışman: PROF. DR. İSMAİL YILMAZ TAPTIK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Seramik Mühendisliği = Ceramic Engineering
Dizin: Kaplama = Coating ; Modelleme = Modelling

Özet:
Bu çalışmada itriya ile kararlı hale getirilmiş zirkonya (YSZ) termal bariyer kaplamalar (TBK) partikül boyutlarına göre sınıflandırılarak atmosferik plazma sprey (APS)  yöntemiyle üretilmişlerdir. Bu çalışma sayesinde seramik üst katman malzemesi olarak ticari uygulamalarda oldukça yaygın kullanılan YSZ'nin mikroyapı farklılıklarının TBC özelliklerine etkisi incelenmiştir. Kaplama prosesinde, ticari YSZ (Sulzer Metco 204B-NS) elek yardımıyla üç sınıfa ayrılmıştır. Sınıflandırılan YSZ tozları önceden bağ katmanı HVOF prosesi ile üretilen altlık üzerine APS yöntemi ile kaplanmıştır. Aynı zamanda karşılaştırma amacıyla ticari YSZ ile de kaplama üretimi gerçekleştirilmiştir.
Kaplamaların mikroyapı analizlerinde taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılmıştır. SEM ile elde edilen kesit görüntülerinde APS yöntemi ile üretilen TBC'lerin karakteristik özelliklerine sahip olduğu ancak bu yapı içerisinde kullanılan toz boyut ve dağılımına göre farklılıklar gösterdiği gözlemlenmiştir. 
Kapalama porozite oranı görsel işleme metodu ile yapılmıştır. Her bir grup kaplama kendi içinde tutarlı olarak %15 ile %23 arasında değişim göstermiştir. Bunun nedeni ince toz olarak sınıflandırılan grubun plazma alevi içinde daha hızlı bir şekilde ısınarak ergimesi ve mikroyapıyı oluşturan yassı tanelerin daha ince olması olarak açıklanmıştır. Bunun yanında toz boyut dağılımı göreceli olarak dar olan tozların porozite dağılımının lokal olarak kaldığı ancak geniş boyut dağılımına sahip tozların porozitelerinin küçük ve tüm kaplamaya yayılmış olduğu gözlemlenmiştir.
Kaplama özellikleri porozite oranı ve dağılımı ile ilişkilendirilmiştir. Bu amaçla sistematik olarak sıcak korozyon ve X-ışını difraktometresi analizi, gerçekleştirilmiştir.
Sıcak korozyon deneyi 1200°C'de gerçekleştirilmiştir. Sıcak korozyon sonucunda elde edilen yapının ilerleme mekanizmasının porozite ile ilişkisi kurulmuştır. Sınıflandırılan tozların porozite ile orantılı şekilde, sıcak korozyona uğradığı ancak; ticari toz ile üretilen kaplamanın en düşük sıcak korozyon direncine sahip olduğu gözlemlenmiştir. Bu durumun açıklanabilmesi için porozite dağılımı da göz önüne alınmıştır. Küçük ve kaplama yapısına homojen dağılım gösteren porozitelerin sıcak korozyon sonucu oluşan kristallerin ilerlemesini engelleyemediği ancak; büyük porozitelerin lokal olarak oluştuğu kaplamalarda, porozitelerin kristallerin ilerlemesini engelleyici bir role sahip olabileceği fikrini oluşturmuştur. 
X-ışını difraktometresi analizinde poroziteye bağlı olarak pik şiddetlerinin farklılık gösterdiği gözlemlenmiştir. Sınıflandırılan tozların kendi içlerinde doğrusal bir şekilde davrandığı ve porozite oranı arttıkça pik şiddetinin düştüğü gözlemlenmiştir. Ancak; ticari tozun, sınıflandırılmış tozlardan farklı davrandığı ve en yüksek pik şiddetine ulaştığı görülmüştür. Bu durumun açıklanması için porozite dağılımının etkinliği düşünülmüştür ve tüm kaplamaya dağılmış porozitenin pik şiddetini arttırdığı ve belli bölgelerde yoğunlaşmış porozitenin pik şiddetini düşürdüğü sonucuna ulaşılmıştır. 
Yüzey pürüzlülüğü  ile porozite arasındaki ilişki incelenmiş ve yapay sinir ağları ile modellenmiştir. Literatür incelendiğinde TBK'ların özelliklerinin YSA ile modellenmesi noktasında genellikle proses parametrelerine odaklanılmaktadır. Bu noktada proses parametrelerinin fazlalığı ve kontrol edilebilirliğinin zorluğundan dolayı üretilen kaplamaya ait bir özelliğin ölçülmesi daha güvenilir bir YSA oluşturulmasına neden olacaktır. Bu nedenle kaplama porozitesinin modellenmesi için yüzey pürüzlülüğü verileri kullanılmıştır. Bu sayede kaplamaya zarar vermeden kaplama porozitesini daha güvenilir olarak tahmin edebilen bir yapay sinir ağı oluşturulmuştur.   
TBK sisteminin yoğun olarak kullanıldığı gaz türbini uygulamalarındaki son gelişmeler incelenerek ana metale etki eden sıcaklığı düşürme yöntemleri araştırılmıştır. Film soğutma olarak bilinen ve TBK ile birlikte kullanılan soğutma yöntemi üzerinde durulmuştur. Gerçek SEM görüntüleri kullanılarak film soğutmanın yüzeydeki etkileri sonlu elemanlar metodu ile incelenmiş ve yüzey pürüzlülüğünün malzeme yüzeyine etki eden sıcaklığa etkisi incelenmiştir.

Abstract:
In this study, yttria stabilized zirconia (YSZ) thermal barrier coatings (TBC) were produced by atmospheric plasma spray (APS) classifying according to particle size. This study investigated the effect of YSZ, which is widely used in commercial applications as a ceramic top layer material, on the TB properties of microstructure differences. In the coating process, commercial grade YSZ (Sulzer Metco 204B-NS) was divided into three classes with the aid of a sieve. Classified YSZ powders were coated with APS method on the substrate which was pre-bonded with the HVOF process. At the same time, coating production was carried out with commercial YSZ for comparison purposes.
Scanning electron microscopy (SEM) was used in the microstructure analyzes of the coatings. It is observed that the TBCs produced by the APS method have characteristic characteristics in the section images obtained by SEM but they show differences according to the powder size and distribution used in this structure.
Coverage porosity ratio was determined by visual processing method. Each group consistently varied from 15% to 23% within the coating itself. This is explained by the fact that the group classified as fine dust warms up more rapidly in the plasma flame and the fineness of splashes and splashes. However, it has been observed that the porosity of the powders having a relatively narrow size distribution is locally remained but the spreads of the powders having a large size distribution are small and spread over the coating.
Up to 50 cycles could be applied in thermal shock tests. Coatings using coarse powders 10. Thin, medium and commercial coatings caused the substrate material to shrink and the test conditions to fail. However, no separation from the surface was observed. However, in accordance with the literature, it has been observed that the mechanism of damage starts from the edge. Early damage to coatings produced by coarse powder can be explained by the high porosity between the ceramic layer and the bond layer. Because of the test difference between the thermal shock and the thermal cycle, the number of cycles is low. In the thermal shock test, the material was released because the material was not compressed by external forces. Due to the difference in expansion between the ceramic upper layer and the substrate, the substrate material shrinks toward the upper ceramic layer.
The hot corrosion test was carried out at 1200 ° C. The relationship between porosity of the progressive mechanism of the structure obtained as a result of hot corrosion is established. Classified powders undergo hot corrosion in proportion to porosity; It has been observed that the coating produced by the commercial powder has the lowest thermal corrosion resistance. In order to explain this situation, the porosity distribution is taken into account. Small and uniformly distributed porosities can not prevent the progression of hot corrosion-causing crystals. It is believed that porosities have a role in preventing the progress of crystals in locally formed coatings of large porosities. In coatings made with classified dusts, the lowest damage rate was observed in coatings with fine powder, while the highest damage was observed in coatings where coarse dust was used.
It has been investigated whether there is a relationship between surface roughness and porosity ratios. Surface roughness values were measured with an optical profilometer. The relationship between surface roughness values and porosity is revealed by artificial neural networks (ANN). Since coarse powders with high roughness values have the highest porosity, it is thought to be effective in interpreting porosity-related properties. In the scope of the thesis, the studies done with artificial neural networks were examined in terms of material science and engineering applications. The focus is on ANN studies for thermal barrier coatings produced with APS.
Recent developments in the application of the gas turbine in which the TBC system is heavily used have been examined and methods of reducing the temperature that will affect the main metal have been investigated. The cooling method known as film cooling and used with TBC is emphasized. Thanks to the geometries prepared by the micrographs obtained, the effects of film cooling on the surface were investigated by the finite element method. At this point, the surface roughness was examined to see if it affected the material temperature, but minor effects were observed. Within the scope of the thesis, the use of the last element method in TBC studies has been examined and suggested.