Elektroforetik biriktirme yöntemi ile YSZ termal bariyer kaplamaların sıcak korozyon davranışlarının iyileştirilmesi
Enhancement of hot corrosion behaviors of YSZ thermal barrier coatings by electrophoretic deposition method
Yazar: ABDULKADİR ÖZÇELİK
Danışman: PROF. DR. AYŞEGÜL AKDOĞAN EKER ; DR. ÖĞR. ÜYESİ MUHAMMET KARABAŞ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / İmal Usulleri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Termal bariyer kaplamalar (TBK), başta havacılık olmak üzere gaz türbinlerinde kanatçık, egzoz ve yanma odası gibi korozif, yüksek sıcaklıktaki ortamlarda kullanılan ısıl yalıtım sağlayan koruyucu çok katmanlı kaplamalardır. Genellikle TBK; altlık malzemesi, bağ katman, termal gelişen oksit (TGO) ve seramik katmandan oluşmaktadır. Seramik katman, türbinin daha verimli ve daha yüksek sıcaklıklarda çalışılabilen zirkonyum esaslı malzemelerden oluşmaktadır. TBK'larda seramik katman malzemesi olarak, düşük termal iletkenliği ve iyi termal şok direnci gibi termal-fiziksel özelliklerinden dolayı ağırlıkça (ağ.) %7-8 itriya (Y2O3) ile kararlıkaştırılmış getirilmiş zirkonyum oksit (YSZ) yaygınlıkla kullanılmaktadır. YSZ kaplamalar 1200 ˚C ve üzeri sıcaklıklarda faz dönüşümü geçirmektedir. Faz dönüşümünün etkisiyle kaplama hacimsel olarak genleşmeye uğrar ve yüzey kusurlarına sebebiyet verir. Yüzey kusurları, korozif ortamlarda kül ve toz gibi cisimlerimlerin kaplama üzerine yapışması sonucu meydana gelen Kalsiyum-Magnezyum-Alüminosilikat (CMAS) biçimindeli camsı eriyik yapının nüfuziyetine ve sıcak korozyona karşı kaplamanın dayanıklılığının düşmesine neden olmaktadır.
Tez çalışmasında, APS YSZ kaplama üzerine elektroforetik biriktirme (EPD) yöntemiyle nano boyutlu tozlar kaplanmış olup yüzeyde yoğun mikro yapı özelliklerine sahip, yüzey pürüzlülüğü düşük ek seramik katman elde edilmiştir. EPD yöntemiyle; sıcak korozyon direncini iyileştiren Alümina (Al2O3), CMAS'ı hızlı katılaştırarak korozyonu yavaşlatan Titanya (TiO2) ve YSZ gibi altı farklı nano toz bileşimleriyle nano kompozit katmanlar üretilmiştir. EPD yöntemiyle üretilen kaplamalardaki porozite oranı, geleneksel TBK numunesinden düşüktür. CMAS ve sıcak korozyon dayanımını incelemek için, üretilen kaplamaların üzerine korozyon tuzları serilerek izotermal korozyon testleri uygulanmıştır. Karakterizasyon olarak; X ışını difraksiyonuyla (XRD) faz analizi yapılmış, taramalı elektron mikroskobu (SEM), alan emisyonlu taramalı elektron mikroskobu (FE-SEM) ve enerji dağılım spektrokopisi (EDS) analizleriyle mikro yapı incelenmiş, yüzey pürüzlülüğü, adezyon kuvvetleri, sertlik ve porozite miktarları ölçülmüştür. Sonuç olarak, üç farklı seramik nano toz kullanılarak üretilen nano kompozit numune, faz değişimine en az uğrayan ve dolayısıyla CMAS ve sıcak korozyonu testlerinde korozyon direnci en yüksek numune olmuştur. Yüzey pürüzlülüğü, nano toz kullanımıyla yaklaşık %40 oranında iyileştirilmiştir.

Abstract:
Thermal barrier coatings (TBC) are multi-layer coatings that provide thermal insulation, which are used to protect parts in corrosive, high temperature environments such as fins, exhaust and combustion chambers in gas turbines, especially in aviation. Generally, TBC consists of a substrate material, a bond layer, a thermally grown oxide (TGO) and a ceramic layer. The ceramic layer consists of zirconium-based materials that allow the turbine to operate more efficiently and at higher temperatures. As the most common ceramic layer in TBCs; due to its thermal-physical properties such as low thermal conductivity and good thermal shock resistance, zirconium oxide stabilized with 7-8% yttria (Y2O3) by weight (wt.) YSZ is used. YSZ coatings undergo phase transformation at temperatures of 1200 ˚C and above. With the effect of phase transformation, the coating expands in volume and causes surface defects. Surface defects cause the penetration of the glassy melt structure in the form of Calcium-Magnesium-Aluminosilicate (CMAS), which occurs as a result of the adhesion of objects such as ash and dust in corrosive environments, and a decrease in the durability of the coating against hot corrosion penetration. In order to slow down the penetration of corrosion products and oxidation, which is one of the main damage types in TBCs, an additional dense ceramic layer with few cracks can be coated on the YSZ coating produced by the atmospheric plasma spray (APS) method by means of ceramic nano powders.
Within the thesis, nano-sized powders were coated on the APS YSZ coating by electrophoretic deposition (EPD) method and an additional ceramic layer with dense microstructure properties and low surface roughness was obtained on the surface. With the EPD method; nano composite layers were produced with six different nano powder compositions such as Alumina (Al2O3), which improves hot corrosion resistance, Titania (TiO2), which slows down corrosion by solidifying CMAS quickly, and YSZ. The porosity rate of the coatings produced by the EPD method is lower than the conventional TBC sample. In order to examine CMAS and hot corrosion resistance, isothermal corrosion tests were applied by laying corrosion salts on the produced coatings. As characterization; phase analysis was performed with X-ray diffraction (XRD) analysis, microstructure was examined by scanning electron microscope (SEM), field emission scanning electron microscope (FE-SEM) and energy distribution spectroscopy (EDS) analysis, surface roughness, hardness, adhesion force and porosity were measured. As a result, the nano-composite sample produced using three different ceramic nano-powders was the sample that underwent the least phase change and therefore had the highest corrosion resistance in CMAS and hot corrosion tests. The surface roughness has been improved by approximately 40% with the use of nano powder.