Investigation of Oxidation Behavior of Plasma Spryed Ceramic Based Coatings

Year 2014, Volume: 14 Issue: 3, 401 - 405, 01.12.2014

Abdullah Cahit Karaoğlanlı Ahmet Türk İsmail Özdemir

Abstract

Thermal barrier coatings (TBCs) are widely used in aviation industry in order to protect components such as turbine blades and vanes in gas turbine engines from oxidation and corrosion failures occurring by the effect of high temperature and to provide high performance and efficiency in turbines. A TBC system is generally consist of a MCrAlY based metallic bond coat deposited on superalloy substrate and a ceramic topcoat deposited on this bond coat. In this system, the metallic bond coat both provides adhesion of ceramic topcoat on the substrate and protects the substrate material from oxidation and corrosion failures, while the ceramic topcoat provides thermal insulation. In this study, in order to simulate service conditions of gas turbines, CoNiCrAlY based metallic bond coat and yitriya stabilized zirconia (YSZ) topcoat structure were deposited on superalloy substrate by atmospheric plasma spray (APS) technique, and a TBC system was generated. Oxidation tests of the TBC structure were conducted for different time periods at 1000 °C. Microstructural change in TBCs after oxidation were examined using scanning electron microscope (SEM). Thermal grown oxide (TGO) layer formed at bond coat/topcoat interface after oxidation tests. It was seen that an oxide (TGO) layer, which occurs at bond and top coat interface and grows thermally up, forms after oxidation test. The thickness of oxide layer increased with the increasing oxidation time. © Afyon Kocatepe Üniversitesi

Keywords

“Thermal barrier coating (TBC)”

Seramik Esaslı Plazma Sprey Kaplamaların Oksidasyon Davranışlarının İncelenmesi

Abstract

Termal bariyer kaplamalar (TBC), gaz türbin motorlarındaki türbin bıçak ve kanatçıkları gibi parçaları yüksek sıcaklık etkisiyle oluşan oksidasyon ve korozyon hasarlarından korumak ve türbinlerde yüksek performans ve verimlilik sağlanması amacıyla havacılık endüstrisinde yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Genel olarak bir TBC sistemi; süperalaşım altlık malzeme üzerine üretilen MCrAlY içerikli metalik bir bağ kaplama ve bu kaplamanın üzerine uygulanan seramik bir üst kaplama yapısından meydana gelmektedir. Bu sistemde, seramik esaslı üst kaplama sıcaklık yalıtımı sağlanması görevi görürken, metalik bağ kaplama ise seramik üst kaplamanın yapışmasının sağlamasının yanında altlık malzemeyi de yüksek sıcaklık koşullarında oksidasyon ve korozyon gibi hasarlara karşı korumaktadır. Bu çalışmada, gaz türbin motorlarında servis esnasında gerçekleşen oksidasyon şartlarının görülebilmesi amacıyla Atmosferik Plazma Sprey (APS) tekniği kullanılarak CoNiCrAlY içerikli bir metalik bağ ve itriya ile stabilize edilmiş zirkonya (YSZ) içerikli seramik bir üst kaplama yapısı süper alaşım altlık malzeme üzerine üretilerek bir TBC sistemi oluşturulmuştur. Üretilen TBC yapısının, 1000 °C’de farklı zaman süreçlerinde oksidasyon testleri gerçekleştirilmiştir. Oksidasyon sonrası TBC’lerdeki mikroyapısal değişim, taramalı elektron mikroskopu (SEM) kullanılarak incelenmiştir. Oksidasyon testleri sonrasında bağ ve üst kaplama ara yüzeyinde meydana gelen ve ısıl olarak büyüyen bir oksit (TGO) tabakasının oluştuğu görülmüştür. Artan oksidasyon süresi sonrasında oluşan oksit tabakasının kalınlığı artış göstermiştir

Keywords

“Termal bariyer kaplama (TBC)”, “Oksidasyon”, “YSZ”, “CoNiCrAlY”, “Plazma sprey kaplama”, “Mikroyapı”

References

• Araı M., Suıdzu T., Development of porous ceramic coating for high-efficiency cooling system, International Thermal Spray Conference, ITSC 2011, DVS, Hamburg, 960-965, September 27- 29, 2011.
• Aygun A., Novel Thermal Barrier Coatings(TBCs) that are resistant to high temperature attack by CaO-MgO-Al2O3-SiO2 (CMAS) glassy deposits, PhD thesis, The Ohio State University, 1-176, 2008.
• Dalkılıç, S., Bir Termal Bariyer Kaplama Sisteminin Yorulma Davranışının İncelenmesi, Doktora tezi, Anadolu Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Mart 2007.
• Evans A.G., Fleck N.A., Faulhaber S., Vermaak N., Maloney M., Darolı R., Scaling laws governing the erosion and impact resistance of thermal barrier coatings, Wear, 260, 886–894, 2006.
• Evans A.G., Mumma D.R., Hutchınson J.W., Meıerc G.H., Pettıt F.S., Mechanisms controlling the durability of thermal barrier coatings, Progress in Materials Science, 46 (5), 505–553, 2001.
• Hetmanczyk M., Swadzba L., Mendala B., Advanced materials and protective coatings in aero- engines application, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, 24, 372-381, 2007.
• Karaoglanlı A.C., Lampke, T., Grund T., Ak Azem F., Ozdemır I., Turk A., Ustel F., Study of oxidation behavior of TBCs with APS and HVOF CoNiCrAlY bond coatings, International Thermal Spray Conference, ITSC 2011, DVS, Hamburg, 943-947, September 27-29, 2011.
• Lı Y., Lı C.J., Zhang Q., Xıng K., Yang G.J., Effect of surface morphology of MCrAlY bond coats on isothermal oxidation behavior, International Thermal Spray Conference, ITSC 2010, DVS- ASM, Raffles City, Singapore, 491-497, 2010.
• Lıu J., Master of Science Thesis, Effects of bond coat surface preparation on thermal cycling lifetime and failure characteristic of thermal barrier coatings, Department of Mechanical, Materials, University of Central Florida, Summer Term, 1- 128, 2004. Engineering,
• Lampke T., El-Mahallawy N., Grund T., El-Araby I., Karaoglanlı A.C., Effect of bond coat material and heat treatment on adhesion strength and characteristics of Thermal Barrier Coating system with CGDS, HVOF and APS techniques, International Thermal Spray Conference, ITSC 2011, DVS, Hamburg, 956-959, Germany, September 27-29, 2011.
• Lı C.J., Lı Y., Yang G.J., Lı C.X., A novel plasma- sprayed durable thermal barrier coating with the well-bonded YSZ interlayer between porous YSZ and bond coat, Journal of Thermal Spray Technology Volume 21 (3-4), 383-390, 2012.
• Mobarra R., Jafarı a.h., Karamınezhaad m., Hot corrosion behavior of MCrAlY coatings on In 738LC, Surface and Coatings Technology, 201, 2202–2207, 2006.
• Nıjdam T.J., Sloof W.G., Combined pre-annealing and pre-oxidation treatment for the processing of thermal barrier coatings on NiCoCrAlY coatings, Surface and Coatings Technology, 201, 3894–3900, 2006.
• Schloesser J., Bäker M., Rosler J., Thermal barrier coatings for rocket engines, International Thermal Spray Conference, ITSC 2011, DVS, Hamburg, September 27-29, 952-955, Germany, 2011.
• Scrıvanı A., Rızzı G., Berndt C.C., Enhanced thick thermal barrier coatings that exhibit varying porosity, Materials Science and Engineering A- structural materials properties microstructure and processing, 476 (1-2), 1-7, 2008.
• Srıdharana S., Xıea L., Jordan E. H., Gella M., Murphy K.S., Damage evolution in an electron beam physical vapor deposited thermal barrier coating as a function of cycle temperature and time, Materials Science and Engineering A, 393 (1-2), 51-62, 2005.
• Takahashı S., Hırano N., Kojıma Y., Harada Y., Kawasakı A., Ono F., Thermal shock resistance of plasma-sprayed Thermal Barrier Coatings, International Thermal Spray Conference, ITSC 2011, DVS, Hamburg, 1025-1029, September 27-29, 2011.
• Yuan F.H., Chen Z.X., Huang Z.W., Wang Z.G., Zhu S.J., Oxidation behavior of thermal barrier coatings with HVOF and detonation sprayed NiCrAlY bond coats, Corrosion Science, 50, 1608–1617, 2008.
• Vaßen R., Gıesen S., Stover D., Lifetime of Plasma- Sprayed Thermal Barrier Coatings: Comparison of Numerical and Experimental Results, Journal of Thermal Spray Technology Volume 18(5-6), 835-845, 2009.
• Verbeek A.T.J., PhD Thesis, Plasma sprayed thermal barrier coatings: Production, characterization and testing, Technische Universiteit Eindhoven, 1-254, 15 September, 1992.
• Wellman R.G., Nıcholls J.R., Erosion, corrosion and erosion–corrosion of EB PVD thermal barrier coatings, Tribology International, 41 (7), 657- 662, 2008.
• Xıe D., Xıong Y., Wang F., Effect of an enamel coating on the oxidation and hot corrosion behavior of an HVOF sprayed CoNiCrAlY coatings, Oxidation of Metals, 59, 503-516, 2003.