Farklı kompozisyona sahip yüksek entropili alaşımların termal bariyer kaplama sistemlerinde kullanılması ve yüksek sıcaklık davranışlarının incelenmesi

Abstract

Termal bariyer kaplamalar (TBCs) özellikle havacılık ve uzay endüstrisinde yüksek sıcaklık uygulamalarında ısıl izolasyon sağlanması ve türbin verimliliklerinin arttırılması amacıyla kullanılan kompleks sistemlerdir. Genel olarak TBC sistemleri süper alaşım bir altlık malzeme üzerine kaplanan metalik bir bağ ve seramik bir üst kaplama tabakalarından oluşmaktadır. Üst kaplama olarak kullanılan seramik esaslı TBC sistemlerinde yüksek sıcaklıklarda hasar oluşumuna sebebiyet veren ve sistemlerin kullanım ömürlerini kısıtlayan birçok faktör vuku bulmaktadır. Bu olumsuzlukların ana sebeplerini ise tabakalar arasındaki termal genleşme uyumsuzlukları, termal iletkenlik katsayısı değişimleri, ani sıcaklık değişimleri sonucunda ortaya çıkan termal şok etkisi ve oluşan ek gerilimler, kafes yapısının değişimi sonrası oluşan kristal kafes yapı hasarları, yüksek sıcaklık oksidasyonu, sıcak korozyon etkisi, sinterleşme etkisi ve erozif aşınma hasarları oluşturmaktadır. Günümüz teknolojinin gelişmesiyle birlikte yüksek sıcaklıklarda çalışan uçak motor parçaları, hava araçlarının sıcak bileşenleri, türbin kanat/kanatçıkları, uzay, havacılık ve nükleer endüstri gibi alanlarda kullanılan malzemelerde ısıl yalıtım, daha uzun parça kullanım ömrü, yakıt tasarrufu, yüksek faz kararlılığı ve enerji verimliliği sağlayan malzemelere daha çok ihtiyaç duyulmaya başlanılmıştır. Belirtilen çarpıcı bu ana özellikler alternatif bir üst kaplama malzemesi olarak Yüksek Entropili Alaşımların (YEA) ortaya çıkma ve hızlı bir biçimde gelişiminin gerekliliğini doğurmuştur. Tez çalışması kapsamında, Inconel 718 süper alaşım altlık malzeme üzerine yüksek hızlı oksi-asetilen yakıt kaplama (HVOF) tekniği kullanılarak CoNiCrAlY içerikli metalik bağ kaplamalar üretilmiştir. Mekanik alaşımlama (MA) yöntemi kullanılarak farklı kompozisyona sahip metalik tozlar karıştırılmış ve YEA özelliğine sahip üst kaplama tozları olarak üretilmiştir. Farklı kompozisyona sahip olarak üretilen YEA tozları atmosferik plazma sprey kaplama (APS) tekniği kullanılarak metalik bağ kaplamalar üzerine püskürtülerek iki farklı YEA içeriğine sahip şekilde (AlCoCrFeNiTi ve AlCoCrFeNiZr) TBC sistemleri üretilmiştir. Farklı kompozisyona sahip olarak üretilen TBC sistemleri, havacılık endüstrisindeki servis kullanım koşulları altındaki şartlara benzer şekilde 1000°C, 1100°C ve1200°C sıcaklıklarda 5, 25, 50 ve 100 saatlik zaman süreçlerinde izotermal oksidasyon testlerine tabi tutulmuştur. TBC sistemlerinin sıcak korozyon testleri ise 700°C, 800°C ve 900°C sıcaklıklarda 1, 3, 5 ve 10 saatlik zaman süreçlerinde gerçekleştirilmiştir. İzotermal oksidasyon ve sıcak korozyon testleri sonucunda elde edilen bulgular ayrıntılı olarak incelenerek, değerlendirilmiştir. Termal olarak büyüyen oksit (TGO) yapısı oluşumu ve büyüme davranışları incelenerek elde edilen farklılıklar literatürdeki çalışmalar dikkate alınarak ortaya konulmuş ve açıklamalar getirilmiştir. TBC sistemlerinin üretim öncesi ve sonrası ile yüksek sıcaklık testleri sonrasındaki mikro yapısal ve mekanik özellikleri stereo mikroskop, SEM (taramalı elektron mikroskobu), EDX elementel haritalama, porozite analizi, XRD (x-ışını difraksiyonu) ve sertlik testleri gerçekleştirilerek belirlenmiş ve birbirleriyle karşılaştırmaları yapılmıştır. Elde edilen bulgular literatürde yapılan güncel çalışmalarla karşılaştırılarak ayrıntılı olarak irdelenmiştir.

Thermal barrier coatings (TBCs) are complex systems that are especially used in high temperature applications in the aerospace sector to provide thermal insulation and boost turbine efficiency. In general, TBC systems consist of a metal bond coated on a superalloy material and a ceramic top coating layer. In ceramic-based TBC systems used as top coatings, there are several elements that cause damage at high temperatures and restrict the system's lifetime. The main reasons for these disadvantages are thermal generalization inconsistencies between layers, changes in the thermal conductivity ratio, thermal shock effects and additional tensions resulting from sudden temperature changes, damage to the crystal cage structure following the change of the structure of the cage, high-temperature oxidation, hot corrosion effect, sintering effect, and erosive wear damage. With the advancement of today's technology, materials that are used in areas such as aircraft engine parts operating at high temperatures, hot components of aircraft, turbine wings/wings, space, aviation, and nuclear industries have increased the need for materials that provide thermal insulation, longer part life, fuel savings, high phase stability, and energy efficiency. These exceptional fundamental qualities have caused the emergence and rapid development of high-entropy alloys (HEAs) as an alternative coating material. As part of the thesis, metal bonding coatings, including CoNiCrAlY, were generated using the high-speed oxy acetylated fuel coating (HVOF) technique on the Inconel 718 super alloy sub-material. Metal powders of varied compositions are combined using the mechanical alloying (MA) process and are generated as top-coating powders with HEA properties. HEA powders, generated in different compositions, are sprayed onto metal bond coatings using atmospheric plasma spray coating (APS) technology and have two different HEA contents (AlCoCrFeNiTi and AlCoCrFeNiZr). Manufactured in varied compositions, TBC systems have been submitted to isothermal oxidation tests for 5, 25, 50, and 100 hours at temperatures of 1000°C, 1100°C, and 1200°C, respectively, equal to those under service circumstances in the aviation industry. The heat corrosion tests of TBC systems were conducted at 700°C, 800°C, and 900°C for 1, 3, 5, and 10 hours. The findings of the isothermal oxidation and hot corrosion experiments have been examined and studied in depth. The differences acquired by analyzing the development of thermal-growing oxide (TGO) structure and growth behaviors have been recognized and described, taking into account studies in the literature. Micro structural and mechanical parameters of TBC systems before and after manufacture and after high-temperature tests were determined and compared with stereo microscopes, SEM (scanning electron microscope), EDX-elemental mapping, porosity analysis, XRD (x-ray diffraction), and hardness tests. The findings have been compared in depth with current studies in the literature.