بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش چهار نوع پوشش سپر حرارتی دو، سه، پنج و هفت لایه کامپوزیتی با ضخامتهای یکسان 500 - میکرونروی - سوپرآلیاژِ IN738 اعمال شد و خواصریزساختاریِ آنها بررسی و با هم مقایسه گردید. پوششدهی توسط فرآیند پاشش پلاسما در اتمسفر هوا - AP - انجام گردید. بهمنظورِ مقایسه دقیقترِ این پوششها، دیگر پارامترهای پوششدهی ثابت نگه داشته شده و تنها متغیر، تعداد لایهها بود. در این تحقیق پس از بررسی ریزساختار و ترکیب شیمیایی، روش شکلگیری فصل مشترک در پوششهایمتداولِ دولایه و پوششهاینوینِ گرادیانی مورد بررسی قرار گرفت.
نتایج نشان داد که ریزساختار، درصد تخلخل و ترکیب شیمیایی، در پوششهای چند لایهی کامپوزیتی، بر خلاف پوششهای دو لایه، به صورت تدریجی در طول ضخامت و در حوالی فصل مشترک تغییر میکند به طوری که با افزایش مقدار فاز فلزیِ NiCrAlY و افزایش تعداد لایهها، درصد تخلخل تا میزان زیادی کاهش مییابد و باعث بهبود قابلملاحظهی خواصﱢ کاربردی پوششهای سپر حرارتی میگردد.
از طرفی، آزمایشهای شکستنگاری یا بررسی سطح شکست و بررسیهایِ میکروسکوپی روی این پوششها انجام گردیدنتایجِ. بررسیِ سطح شکست نیز رشد کمتر ترکها در نمونه 7 لایه را نسبت به نمونه 2 لایه و همچنین تغییر مکانیزم رشدِ این ترکها را در نمونههای مختلف، با تعداد لایههای متفاوت، تایید میکند. طبق تصاویر میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ SEM، نمونه دو لایه دارای بیشترین درصد تخلخل در لایه سرامیکی و نمونه 7 لایه دارای کمترین درصد تخلخل در این لایه، بوده است.
مقدمه
پوشش های سپرحرارتی - TBC - به طور معمول در شرایطی که دما بالا می باشد مانندِ موتورهای هواپیما و توربینهای گازی صنعتی مورد استفاده قرار میگیرند. این پوششها به صورت چندلایهی سرامیک و فلز طراحی میگردند تا بتوانند اجزای موتورهای احتراق و توربینهای گازی را از جریان گاز داغ عایق سازند و همزمان از بروز خوردگی داغ و اکسیداسیون جلوگیری به عمل آورند و از این طریق، بازده انرژی این موتورها را بهبود بخشند.
از دیگر ویژگیهای این پوششها میتوان به مقاومت در برابر سیکلهای حرارتی و نیروهای مکانیکی و سازگاری با زیرلایه و عدم ایجاد واکنش مخرب با آن، اشاره کرد. پوشش های سپرحرارتی این قابلیت را دارند که در شرایط دمای بالا، یک لایه محافظ ایجاد کنند،این لایه مانندِ سدی متراکم از ورود عوامل خورنده و گازها به سطح جلوگیری میکندو باعثِ محافظت زیرلایه در برابر خوردگی داغ و اکسیداسیون میگرددسدﱢ.
ایجاد شده معمولاً یک لایه اکسیدیِ پایدار و فشرده بوده که چسبندگی مناسبی به زیر لایه دارد، در شرایط کاری اکسید هایی مانندِ Al2O3، Cr2O3 و SiO2 دارای این ویژگی ها می باشند. در دماهای بیش از 1000 درجه سانتی گراد، Cr2O3 و SiO2تبدیل به اکسیدهای فرّارِ CrO3 و SiO میگردند، در حالی که اکسید آلومینیوم دارای سرعت رشدِ آهستهتری بوده و به طور عمده در کاربردهای دمای بالا مورد استفاده قرار میگیرد .[1-4] با وجود مزایای ذکر شده برای پوشش های سپر حرارتی و کاربردِ گسترده آن ها در چند دهه گذشته، این دسته از پوشش ها معایبی نیز دارند که از جمله آن ها می توان به تخریب زودهنگام در اثر پوسته شدن، اشاره کرد. زیرا در این حالت، زیر لایه در معرض گازهای داغ قرار گرفته و به سرعت منهدم می گردد
به طور رایج پوشش های سپر حرارتی حداقل از دو لایه تشکیل شده اند، یک لایه پوشش پیوندی که نزدیک به زیر لایه بوده و معمولاً از جنس MCrAlY بوده که ترکیب شیمیایی نزدیکی به زیرلایه داشته و چسبندگی مناسبی ایجاد می کند و یک لایه پوشش سرامیکی YSZ می باشد که لایه فوقانی پوشش را تشکیل داده و از افزایش دمای پوشش و زیرلایه جلوگیری می کند. در حین سرویس دهی در فصل مشترک این دو لایه، اکسید آلومینیم رشد یابنده - TGO - تشکیل می شود .
[5-9] به منظور رفع مشکلات پوشش های سپر حرارتی که موجبِ انهدام نابهنگام آن ها می گردد از مفهوم مواد با عملکرد گرادیانی یا تدریجی استفاده می گردد. در این روش پوشش های دو لایه را به وسیله پوشش های چند لایه جایگزین می سازند که در آن تغییر تدریجی ترکیب شیمیایی وجود دارد. این عمل موجب کاهش تفاوت ضریب انبساط حرارتی لایه فوقانی و لایه زیرین شده و تنش های پسماند حرارتی راکه ناشی از اختلاف خواص فیزیکی و ترمومکانیکیِ دو لایه است را در فصل مشترک کاهش می دهد و در نتیجه احتمال بروز ترک و شکست در نمونه رابه حدﱢاقل می رساند.[10-13]
مواد و روش تحقیق
از پودرهای تجاری زیرکنیای پایدار شده با ایتریا - METCO 204 NSG, Size: 40 -60 P - 4 و آلیاژ پایه نیکل - AMDRY 962, Size: 40-60 P - Ni-22Cr-10Al-1Y برای فرآیند APS به عنوان مواد اصلی پوشش ها استفاده شد. تفنگ پاشش مورد استفاده در این دستگاه از نوع Metco 3MB می باشد که گاز آرگون در آن گاز اولیه و اصلی دستگاه بوده و هیدروژن به عنوان گاز ثانویه مورد استفاده قرار میگیرد.
پارامتر های پوشش دهی در جدول 2 آورده شده استبه. منظور اِعمال پوشش های گرادیانیِ فلز-سرامیک با درصد های مختلف در روشِ APS از دو سیستم تزریق کننده پودر به طور هم زمان استفاده گردید. هر یک از پودر ها به داخلِ قوس پلاسما به طور هم زمان با سرعت و دبی مشخص تزریق شده و پس از مخلوط شدن و ذوبِ جزئی، ماده مرکّبِ حاصله به سطح نمونه پاشیده می شود. شماتیکی از چهار نمونهی طراحی شده پوشش های سپر حرارتی در شکل 1 مشاهده می شود. جدول 1 نیز ضخامت لایه ها را در هر یک از سیستم های پوششی به نمایش می گذارد.
پس از ایجاد پوششهای مختلف، ریز ساختار آنها به وسیله میکروسکوپ نوری و الکترونی روبشی مورد بررسی قرار گرفت تا از گرادیانی شدنِ ترکیب شیمیایی و پوششها اطمینان حاصل گردد. از طرفی در ادامه درصد تخلخل پوششها به خصوص در لایه های شامل سرامیک اندازه گیری شد و در نهایت تست خمش بر روی نمونه ها انجام شد و به وسیله دستگاه استریوماکروگراف سطح شکست این چهار نوع پوشش مورد بررسی قرار گرفت.
