مقایسه خواص اکسیداسیون و شوک حرارتی پوشش‌های سپر حرارتی کامپوزیتی YSZ/Nano-Al2O3 با آلومینای ایجاد شده از فرآیند پاشش پلاسمایی پودر پیش‌ماده پیرولیز نشده و پودر کریستالی نانوآگلومره

فرآیندهای نوین در مهندسی مواد

دوره 15، شماره 3 - شماره پیاپی 58، آبان 1400، صفحه 1-15   

نوع مقاله: علمی-پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.30495/apme.2021.1895014.1986

نویسندگان

سعید تقی رمضانی^{* 1}؛ ضیاء والفی²؛ ناصر احسانی³؛ مسعود میرجانی⁴

¹کارشناس ارشد مهندسی خوردگی و حفاظت از مواد، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران.

²دانشیار، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران.

³استاد، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران.

⁴محقق، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران.

چکیده

در این تحقیق ابتدا پودر آلومینای آمورف با استفاده از فرآیند هم­رسوبی سنتز شد، سپس پوشش­های YSZ/Al₂O₃ در دو حالت نانوآلومینای پیرولیز نشده و کریستالی با فرآیند پاشش پلاسمایی اعمال شدند. آزمون­های اکسیداسیون دما بالا و شوک حرارتی در دمای C˚1100 انجام گرفتند. مشخصه­های ساختاری و فازی پوشش­ها با استفاده از میکروسکوپ نوری، میکروسکوپ الکترون روبشی گسیل میدانی (FE-SEM) و پراش­سنجی اشعه­ی ایکس (XRD) بررسی شدند. مقایسه­ی ساختاری نمونه ­ها نشان داد که استفاده از پودر نانوآلومینا کریستالی در کامپوزیت لایه­ای YSZ/Alumina، سبب افزایش خواص حرارتی پوشش­­ها می­شود. خواص اکسیداسیون دمای بالا و مقاومت در برابر شوک حرارتی پوشش‌های YSZ/Al₂O₃ با نانوآلومینای پیرولیز نشده و پوشش­های با ترکیب مشابه با نانوآلومینای کریستالی که با پاشش پلاسمایی ایجاد شدند مورد بررسی قرار گرفتند. یافته‌ها نشان دادند که استفاده از پودر نانوآلومینای پیرولیز نشده در کامپوزیت لایه­ای YSZ/Al₂O₃ منجر به افزایش تخلخل و حفرات انقباضی در پوشش می­شود که سبب افزایش نفوذ مولکول‌های اکسیژن شده که در جهت افزایش ضخامت لایه TGO عمل می‌کند. همچنین تراکم بالا و تماس مناسب بین اسپلت­های حاصل از پودر نانوآلومینای کریستالی مقاومت بالاتری را در برابر سیکل­های حرارتی نتیجه می­ دهد.

کلیدواژه‌ها

پوشش سپر حرارتی؛ پیرولیز پیش‌ماده؛ سدنفوذی آلومینا؛ اکسیداسیون دما بالا؛ شوک حرارتی

مراجع

[1] م. م. خرمی راد، م. ر. رحیمی پور، س. م.م. هادوی و ک. شیروانی جوزانی، "سنتز پودر هگزا آلومینات لانتانیم (LaMgAl₁₁O₁₉) به‌منظور پوشش دهی به روش پلاسما اسپری بر روی سوپر آلیاژ پایه نیکل به‌عنوان پوشش سد حرارتی،" فصلنامه علمی و پژوهشی فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 12، صفحه 183-173، 2018.

 

[2] S. Sharafat, A. Kobayashi, Y. Chen & N. Ghoniem, "Plasma spraying of micro-composite thermal barrier coatings," Vacuum, vol. 65, no. 3-4, pp. 415-425, 2002.

 

[3] A. Keyvani, "Microstructural stability oxidation and hot corrosion resistance of nanostructured Al2O3/YSZ composite compared to conventional YSZ TBC coatings," Journal of Alloys and Compounds, vol. 623, pp. 229-237, 2015.

 

[4] P. Wang, S. Deng, Y. He, C. Liu & J. Zhang, "Oxidation and hot corrosion behavior of Al2O3/YSZ coatings prepared by cathode plasma electrolytic deposition," Corrosion Science, vol. 109, pp. 13-21, 2016.

 

[5] R. Bermejo et al., "Threshold strength evaluation on an Al 2 O 3–ZrO 2 multilayered system," Journal of the European Ceramic Society, vol. 27, no. 2, pp. 1443-1448, 2007.

 

[6] H. Echsler, V. Shemet, M. Schütze, L. Singheiser & W. Quadakkers, "Cracking in and around the thermally grown oxide in thermal barrier coatings: A comparison of isothermal and cyclic oxidation," Journal of Materials science, vol. 41, no. 4, pp. 1047-1058, 2006.

 

[7] P. Fauchais, "Thermal Spray Fundamentals/ Fauchais, P., Heberlein, J., Boulos, M," NY: Springer, p. 1600, 2014.

 

[8] J. Gao, Y. He & D. Wang, "Preparation of YSZ/Al 2 O 3 micro-laminated coatings and their influence on the oxidation and spallation resistance of MCrAlY alloys," Journal of the European Ceramic Society, vol. 31, no. 1, pp. 79-84, 2011.

 

[9] E. Bouyer, D. Branston, G. Lins, M. Müller, J. Verlegen & M. von Bradke, "Progress in Plasma Processing of Materials ed P Fauchais," ed: New York, USA: Begell House, 1997.

 

[10] L. Xie et al., "Formation of vertical cracks in solution-precursor plasma-sprayed thermal barrier coatings," Surface and Coatings Technology, vol. 201, no. 3, pp. 1058-1064, 2006.

 

[11] M. Gell et al., "Thermal barrier coatings made by the solution precursor plasma spray process," Journal of Thermal Spray Technology, vol. 17, no. 1, pp. 124-135, 2008.

[12] J. Ziegelheim et al., "Abradable Coatings for Small Turboprop Engines: A Case Study of Nickel-Graphite Coating," Journal of Thermal Spray Technology, vol. 28, no. 4, pp. 794-802, 2019.

 

[13] L. Jin, L. Ni, Q. Yu, A. Rauf & C. Zhou, "Thermal cyclic life and failure mechanism of nanostructured 13 wt% Al2O3 doped YSZ coating prepared by atmospheric plasma spraying," Ceramics International, vol. 38, no. 4, pp. 2983-2989, 2012.

 

[14] A. Fox & T. Clyne, "Oxygen transport by gas permeation through the zirconia layer in plasma sprayed thermal barrier coatings," Surface and Coatings Technology, vol. 184, no. 2-3, pp. 311-321, 2004.

 

[15] س. ع. فدکی صادقی، ض. والفی و ک. زنگنه مدار "ارزیابی میکرو ساختاری پوشش‌های YSZ پاشش پلاسمایی," فصلنامه علمی و پژوهشی فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 9، صفحه 105-95، 2015.

 

[16] M. Daroonparvar, M. S. Hussain & M. A. M. Yajid, "The role of formation of continues thermally grown oxide layer on the nanostructured NiCrAlY bond coat during thermal exposure in air," Applied Surface Science, vol. 261, pp. 287-297, 2012.

 

[17] F. Tang & J. M. Schoenung, "Local accumulation of thermally grown oxide in plasma-sprayed thermal barrier coatings with rough top-coat/bond-coat interfaces," Scripta materialia, vol. 52, no. 9, pp. 905-909, 2005.

 

[18] M. Koolloos & J. Houben, "Residual stresses in as-sprayed and heat treated TBCs. Measurements and FEM calculations," in Materials science forum, 2000, vol. 347, pp. 465-470: Trans Tech Publications Ltd., Zurich-Uetikon, Switzerland.

 

[19] G. Di Girolamo, F. Marra, C. Blasi, E. Serra & T. Valente, "Microstructure, mechanical properties and thermal shock resistance of plasma sprayed nanostructured zirconia coatings," Ceramics International, vol. 37, no. 7, pp. 2711-2717, 2011.

[20] X. Ma et al., "Thick Thermal Barrier Coatings with Controlled Microstructures Using Solution Precursor Plasma Spray Process," in ITSC 2004: International Thermal Spray Conference 2004: Advances in Technology and Application, 2004, pp. 1103-1109.

 

[21] S. Bose, "High temperature coatings," 2011: Butterworth-Heinemann.