Investigation of Coatibility of La2Zr2O7 Based Ceramics as Thermal Barrier Coating

Abstract

Nowadays, higher performance expectations from turbines and internal combustion engines, rapid extinction of fossil fuels, global warming and increasingly tighter emission standards worldwide are the biggest problem of engine manufacturers. The most important solution approach for this problem is the coating of metallic parts of turbine blades and/or combustion chamber with a thermal barrier coating material having low thermal conductivity. This solution leads to significant improvements in engine performance and efficiency. On the other hand, rare element doped new generation ceramic thermal barrier coating material materials having low thermal conductivity have attracted considerable attention in recent years. In this study, the metallic bond layers have coated on the metallic substrates by using high-speed oxy-fuel spraying method and then La2Zr2O7 based ceramic top layers have coated as double layered by using atmospheric plasma spraying method. In the scanning electron microscope analyses, it was found that the thicknesses of the ceramic top layers ranging from 375 to 480 μm and the porosity values were among 10.2 and 12.5%. Moreover, the interfaces between the layers were continuous and there was no metallographically problem. Therefore, it is understood that, La2Zr2O7 based ceramics were successfully coated. In addition, X-ray diffraction analysis revealed that there was no phase transformation or chemical degradation after atmospheric plasma spray process.

Keywords

• Plasma spraying,lanthanum zirconate,thermal barrier coating,microstructural characterization,phase analysis

Project Number

FM18BAP12

Katkılı La2Zr2O7 Esaslı Seramiklerin Termal Bariyer Kaplama Olarak Kaplanabilirliğinin Araştırılması

Abstract

Günümüzde türbinli ve içten yanmalı motorlardan daha yüksek performans beklentisi, fosil yakıtların hızlı bir şekilde tükeniyor olması, küresel ısınma ve tüm dünyada giderek daha sıkı hale gelen emisyon standartları motor üreticilerinin en büyük problemi olmuştur. Bu problem için getirilen en önemli çözüm yaklaşımı; metalik türbin kanatları ve/veya yanma odası elamanlarının yüzeylerinin düşük termal iletkenliğe sahip seramik esaslı bir termal bariyer kaplama malzemesi ile kaplanmasıdır. Bu sayede motor performansı ve veriminde önemli iyileşmeler meydana gelmektedir. Diğer yandan oldukça düşük termal iletkenliğe sahip olan nadir element katkılı yeni nesil seramik termal bariyer kaplama malzemeleri son yıllarda oldukça dikkat çekmektedir. Bu çalışmada metalik altlık üzerine yüksek hızlı oksi-yakıt püskürtme yöntemi ile metalik bağ katmanı, onun üzerine atmosferik plazma spreyleme yöntemi ile seramik ara katman ve en üst tabakaya da katkılı La2Zr2O7 esaslı seramik üst katmanlar kaplanmıştır. Yapılan taramalı elektron mikroskobu analizlerinde 375 ile 480 μm arasında değişen kalınlıklarda olan çift katmanlı kaplamaların başarılı bir şekilde üretildiği, porozite değerlerinin %10.2 ile 12.5 arasında değiştiği, katmanlar arasındaki ara yüzeylerin metalografik olarak problemsiz ve sürekli olduğu anlaşılmıştır. Ayrıca yapılan X-ışını kırınım analizlerinde kaplamalarda atmosferik plazma spreyleme işlemi sonrası herhangi bir faz dönüşümü veya kimyasal bozulma meydana gelmediği anlaşılmıştır.

Keywords

• Plazma spreyleme,lantan zirkonat,termal bariyer kaplama,mikroyapı karakterizasyonu,faz analizi

Supporting Institution

Hakkari Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeler birimi

Project Number

FM18BAP12

Thanks

Bu çalışma, Hakkari Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeler birimi FM18BAP12 numaralı proje tarafından desteklenmiştir

References

1. Ahmadi-Pidani R, Shoja-Razavi R, Mozafarinia R, Jamali H, 2012. Improving The Thermal Shock Resistance of Plasma Sprayed CYSZ Thermal Barrier Coatings By Laser Surface Modification, Optics and Lasers in Engineering, 50 (5): 780–786.
2. Cao XQ, Vassen R, Stoever D, 2004. Ceramic Materials for Thermal Barrier Coatings, J. Eur. Ceram. Soc., 24 (1): 1–10.
3. Dokur MM, 2014. Çok Katmanlı CYSZ / Al2O3 ve CYSZ / Al2O3+YSZ Termal Bariyer Kaplamaların Üretimi ve Isıl-Mekanik Özelliklerinin Belirlenmesi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora tezi (Basılmış).
4. Dokur MM, Göller G, 2014. Processing and Characterization of CYSZ/Al2O3 and CYSZ/Al2O3 + YSZ Multilayered Thermal Barrier Coatings, Surf. Coatings Technol. 228 (1): 804-813.
5. Fukuchi T, Fuse N, Fujii T, Okada M, Fukunaga K, Mizuno M, 2013. Measurement Of Topcoat Thickness Of Thermal Barrier Coating For Gas Turbines Using Terahertz Waves, Electrical Engineering in Japan (English Translation of Denki Gakkai Ronbunshi), 183 (4): 1–9.
6. Gledhill AD, Reddy KM, Drexler JM, Shinoda K, Sampath S, Padture NP, 2011. Mitigation of Damage From Molten Fly Ash To Air-Plasma-Sprayed Thermal Barrier Coatings, Material Science and Engineering A. 528 (24): 7214–7221.
7. Gök MG, 2015. Çok Katmanlı ve Fonksiyonel Derecelendirilmiş CYSZ/Gd2Zr2O7 Esaslı Yeni Nesil Termal Bariyer Kaplamaların Üretimi ve Karakterizasyonu, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora tezi (Basılmış).
8. Gök MG, Göller G, 2015. Microstructural Evaluation Of Laser Remelted Gadolinium Zirconate Thermal Barrier Coatings, Surf. Coatings Technol., 276 (1): 202–209.

9. Gök MG, Göller G, 2015. Production and Characterisation of GZ/CYSZ Alternative Thermal Barrier Coatings with Multilayered and Functionally Graded Designs, J. Eur. Ceram. Soc., 36 (7): 1755–1764.
10. Gök MG, Göller G, 2017. Microstructural Characterization of GZ/CYSZ Thermal Barrier Coatings After Thermal Shock and CMAS+Hot Corrosion Test, J. Eur. Ceram. Soc., 37 (6): 2501–2508.
11. Gök MG, Göller G, 2019. State of The Art of Gadolinium Zirconate Based Thermal Barrier Coatings: Design, Processing and Characterization, IntechOpen, pp. 1-23, London-United Kingdom.
12. Gürbüz H, Gökkaya H, 2014. Termal Bariyer Kaplamanın Motor Yakıt Sarfiyatı Egzoz Sıcaklığı ve Emisyonlara Etkilerinin Deneysel Olarak İncelenmesi, Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 20 (1): 15-19.
13. Lozano-Mandujano D, Poblano-Salas CA, Ruiz-Luna H, Esparza BME, Betancur ALG, Orozco JMA, Martinez LGT, Saldana JM, 2017. Thermal Spray Deposition, Phase Stability and Mechanical Properties of La2Zr2O7/LaAlO3 Coatings, J Therm Spray Technology, 26 (6): 1198-1206.
14. Oiu X, Hamdi A, 1996. Development of Bench Test Methods for The Evaluation of Ion-Implanted Materials: Piston/Bore Application, Surface and Coatings Technology, 88 (1-3): 190-196.
15. Stover D, Pracht G, Lehmann H, Dietrich M, Doring JE, Vaben R, 2004. New Material Concepts for The Next Generation of Plasma-Sprayed Thermal Barrier Coatings, J. Therm. Spray Technol., 13 (1): 76–83.
16. Wang C, Wang Y, Fan S, You Y, Wang L, Yang C, Sun X, Li X, 2015. Optimized Functionally Graded La2Zr2O7/8YSZ Thermal Barrier Coatings Fabricated By Suspension Plasma Spraying, Journal of Alloys and Compounds, 649 (1): 1182-1190.
17. Wu J, Wei X, Padture NP, Klemens PG, Gell M, García E, Miranzo P, Osendi MI, 2002. Low-Thermal-Conductivity Rare-Earth Zirconates for Potential Thermal-Barrier-Coating Applications, J. Am. Ceram. Soc., 85 (12): 3031–3035.
18. Zhao XD, Zeng KL, Xie JG, Li ZD, 2007. Nanostructured Lanthanum Zirconate Coating and Its Thermal Stability Properties, Journal of Iron and Steel Research, International, 14 (5): 147-151.