Geri Dön

Enhancing cmas and hot corrosion resistance of ysz thermal barrier coatings via aluminium cold spray

Ysz termal bariyer kaplamaların aluminyum soğuk sprey yöntemi ile birlikte cmas ve sıcak korozyon dirençlerinin arttırılması

PDF İndir

  1. Tez No: 1024441
  2. Yazar: AHMED EMİN TOK
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ FAİZ MUHAFFEL
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Alümina, Kaplama, Kaplama malzemeleri, Korozyon, Termal bariyer kaplama, Yüksek sıcaklık, Yüksek sıcaklık malzemeleri, Alumina, Coating, Coating materials, Corrosion, Thermal barrier coating, High temperature, High temperature materials
  7. Yıl: 2026
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Üretim Metalurjisi ve Teknolojileri Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Modern havacılık ve enerji sektörlerinde kullanılan gaz türbinli motorların performansını ve ısıl verimliliğini artırmak, doğrudan türbin giriş sıcaklıklarının (TIT) yükseltilmesine bağlıdır. Günümüzde bu sıcaklık değerleri, türbin kanatlarında kullanılan nikel bazlı süperalaşımların yapısal bütünlüğünü koruyabildiği limitleri ve erime noktalarını (~1300 °C) aşarak 1500-1700 °C seviyelerine ulaşmıştır. Bu ekstrem termal koşullarda metalik bileşenlerin erimesini önlemek, servis ömürlerini uzatmak ve sürünme direncini korumak amacıyla, aktif soğutma teknolojileri ile birlikte düşük ısıl iletkenliğe sahip Yttria ile Stabilize Edilmiş Zirkonya (YSZ) esaslı Termal Bariyer Kaplamalar (TBC) endüstriyel bir standart olarak yaygın şekilde kullanılmaktadır. Termal bariyer kaplama sistemleri temel olarak çok katmanlı bir yapıdan oluşmaktadır. Bu yapı; metalik altlık üzerine uygulanan bir bağ tabakası (bond coat), operasyon sırasında bu bağ tabakası üzerinde gelişen ara katman niteliğindeki termal büyütülmüş oksit (TGO) tabakası ve en üstte yer alan seramik üst tabakadan (top coat) meydana gelir. Saf zirkonya (ZrO2), yüksek erime noktası (2680 °C) ve düşük ısıl iletkenliği (1.6 W/mK) gibi üstün özelliklere sahip olsa da, oda sıcaklığından çalışma sıcaklıklarına kadar olan süreçte yıkıcı faz dönüşümleri sergilemektedir. Oda sıcaklığında monoklinik fazda bulunan zirkonya, 1170 °C'nin üzerine ısıtıldığında tetragonal faza dönüşmekte ve bu dönüşüm sırasında meydana gelen %3-5 oranındaki hacimsel genişleme, malzemede iç gerilmelere ve çatlaklara yol açmaktadır. Bu olumsuz etkiyi ortadan kaldırmak ve faz yapısını stabilize etmek amacıyla, zirkonyaya ağırlıkça %6-8 oranında yttria (Y2O3) ilave edilmesi endüstriyel bir zorunluluk haline gelmiştir. YSZ kaplamalar, sergiledikleri başarılı termal yalıtım performansına rağmen, operasyonel süreçte çevresel kaynaklı kalsiyum-magnezyum-alümino-silikat (CMAS) infiltrasyonu ve yakıt safsızlıklarından kaynaklanan sıcak korozyon gibi kritik hasar mekanizmaları nedeniyle erken dökülmelere maruz kalmaktadır. Gaz türbinlerinin çalışma ortamında bulunan toz, kum, volkanik kül ve diğer partiküller 1200 °C üzerindeki sıcaklıklarda eriyerek düşük viskoziteli camsı bir silikat sıvısı (CMAS) oluşturmaktadır. Bu eriyik, kılcal kuvvetlerin etkisiyle YSZ kaplamanın gözenekli ve mikro çatlaklı yapısına hızla sızarak malzemenin esnekliğini yitirmesine ve termal gerilmeler altında kaplamanın metalik arayüzden ayrılarak dökülmesine (spallation) neden olmaktadır. Benzer şekilde, yakıt ve havadan gelen kükürt, sodyum ve vanadyum gibi safsızlıklar, motor ortamında sodyum sülfat (Na2SO4) ve vanadyum pentoksit (V2O5) gibi düşük erime noktalı tuzlar oluşturarak sıcak korozyonu tetiklemektedir. Bu erimiş tuzlar, YSZ yapısındaki yttria ile kimyasal reaksiyona girerek yapıyı kararsızlaştırmakta ve zirkonyanın hacimsel genişleme yaratan monoklinik faza dönüşmesine yol açarak kaplamayı içeriden parçalamaktadır. Bu tez çalışmasının temel amacı, AISI 321 paslanmaz çelik altlıklar üzerine uygulanan YSZ kaplama sistemlerinin CMAS ve sıcak korozyon dirençlerini, soğuk sprey (Cold Spray) yöntemiyle uygulanan bir alüminyum“fedakar tabaka”aracılığıyla artırmaktır. Çalışmanın özgünlüğü, literatürde yaygın olarak kullanılan Magnetron Sputtering veya EB-PVD gibi yüksek maliyetli yöntemler yerine, daha hızlı ve ekonomik olan soğuk sprey tekniğinin bu amaçla kullanılmasına dayanmaktadır. Soğuk sprey teknolojisi, mikron boyutundaki metalik tozların taşıyıcı bir gaz (Helyum, Azot veya Hava) yardımıyla süpersonik hızlara (300-1200 m/s) ulaştırılarak altlık yüzeyine çarptırıldığı ve plastik deformasyon yoluyla tutunmanın sağlandığı bir katı hal biriktirme yöntemidir. Bu yöntemde gaz sıcaklığı kaplama malzemesinin erime noktasının altında tutulduğu için oksidasyon, faz dönüşümü ve tane büyümesi gibi olumsuz etkiler minimize edilmekte; yoğun ve gözeneksiz bir metalik tabaka elde edilebilmektedir. Deneysel süreçte, atmosferik plazma sprey (APS) tekniğiyle üretilmiş NiCoCrAlY bağ tabakası ve YSZ üst tabakasına sahip hazır numuneler başlangıç materyali olarak kullanılmıştır. Altlık malzemesi olarak, maliyet etkinliği ve korozyon etkilerinin daha net gözlemlenmesine izin vermesi nedeniyle AISI 321 paslanmaz çelik seçilmiştir. İlk aşamada, saf alüminyum tozları (-325 mesh) yüksek basınçlı soğuk sprey düzeneği ile YSZ yüzeyine kaplanmıştır. Yapılan parametre optimizasyonu çalışmalarında, toz besleme hızı (Mod 1 ve Mod 2) ile tarama hızı (30 ve 40 cm/dak) arasındaki etkileşim incelenmiş; en homojen ve sürekli kaplama yapısının 30 cm/dak tarama hızı ve Mod 2 toz besleme hızında elde edildiği tespit edilmiştir. Bu parametrelerle elde edilen alüminyum tabakasının sürekliliği ve kalınlığı optik mikroskopi analizleriyle doğrulanmıştır. Çalışmanın ikinci aşamasında, soğuk sprey ile biriktirilen metalik alüminyum rezervuarın, koruyucu bir seramik faz olan alfa-alüminaya (α-Al2O3) dönüştürülmesi için ısıl oksidasyon işlemleri gerçekleştirilmiştir. Isıl işlem denemeleri, 10 °C/dak ısıtma hızıyla farklı sıcaklık ve sürelerde yürütülmüştür. Elde edilen bulgular, 700 °C sıcaklığın stabil bir oksit tabakası oluşturmak için yetersiz kaldığını ve alüminyumun metalik yapısını koruduğunu göstermiştir. Ancak, 1000 °C sıcaklıkta 240 dakika boyunca yapılan işlemin, metalik alüminyumun orijinal piklerini tamamen yok ederek malzemeyi kararlı alfa-alümina fazına dönüştürdüğü XRD analizleriyle kesin olarak doğrulanmıştır. Bu dönüşüm süreci, 10-20 µm kalınlığındaki yeni bir seramik bariyerin oluşmasını sağlamıştır. Son aşamada, geliştirilen sistemin dayanımı 1200 °C'de 10 saat süren agresif CMAS ve sıcak korozyon testleri ile değerlendirilmiştir. CMAS testlerinde, çöl ortamlarını simüle eden ve Anhidrit (CaSO4) fazı baskın olan 20 mg/cm² yoğunluğundaki sentetik karışım kullanılmıştır. Sıcak korozyon testlerinde ise %50 Na2SO4 ve %50 V2O5 içeriğine sahip tuz pastası uygulanmıştır. Teorik yaklaşıma göre, oluşturulan fedakar alümina tabakası CMAS eriyiği ile reaksiyona girerek eriyiğin kimyasal kompozisyonunu değiştirmektedir. Bu etkileşim sonucunda oluşan Anortit (CaAl2Si2O8) ve Spinel (MgAl2O4) gibi yüksek erime noktasına sahip (sırasıyla 1553 °C ve 2135 °C) kristal fazlar, eriyiğin viskozitesini artırarak akışkanlığını yitirmesine ve YSZ gözeneklerine sızmasının engellenmesine yol açmaktadır. Yapılan mikro yapısal incelemeler ve SEM-EDS analizleri, alüminyum soğuk sprey tabakasının ısıl işlem sonrası yoğun bir alfa-alümina bariyerine dönüştüğünü ve bu katmanın CMAS infiltrasyonunu durdurmada başarılı olduğunu göstermiştir. Literatürdeki benzer çalışmalarla uyumlu olarak, alümina korumalı örneklerde CMAS saldırısına rağmen YSZ yapısındaki monoklinik faz dönüşümünün baskılandığı ve malzemenin kimyasal bütünlüğünün korunduğu gözlemlenmiştir. Bu sonuçlar, soğuk sprey ile oluşturulan alüminyum esaslı fedakar tabakanın, YSZ termal bariyer kaplamaların operasyonel ömrünü ve güvenilirliğini artırmak için etkili bir strateji olduğunu kanıtlamıştır. Sonuç olarak çalışma; havacılık ve enerji türbinlerinde kullanılan kritik parçaların yüksek sıcaklık korozyonu ve çevresel partikül saldırılarına karşı korunmasında, endüstriyel olarak uygulanabilir, ekonomik ve yüksek performanslı bir çözüm önerisi sunmaktadır.

Özet (Çeviri)

Improving the performance and thermal efficiency of modern gas turbine engines is directly dependent on increasing turbine inlet temperatures (TIT). Today, TIT values have reached levels of 1500-1700 °C, exceeding the temperature limits within w hich the nickel-based superalloys used in turbine blades can maintain their structural integrity. To prevent the melting of metallic components and extend their service life under these extreme thermal conditions, yttria stabilized zirconia (YSZ) based thermal barrier coatings (TBCs) with low thermal conductivity are widely utilized as an industrial standard. Fuel impurities, CMAS leaking, and hot corrosion are critical damage mechanisms for YSZ coatings. They cause spallation of coatings. CMAS phase forms at high temperatures in the presence of environmental powders, volcanic ashes, and sands. They are infiltrating the coating's porous structure, decreasing strain tolerance, and causing the delamination of the coating from the substrate. The primary objective of this thesis study is to enhance the CMAS and hot corrosion resistance of YSZ coating systems applied on AISI 321 stainless steel substrates through an aluminum“sacrificial layer”deposited via the Cold Spray method. In the experimental process, standard YSZ-coated samples produced by the atmospheric plasma spray (APS) technique were used as the starting materials. In the first stage, pure aluminum powder was deposited onto the YSZ surface using a high-pressure cold-spray setup. As a result of the parameter optimization, the most homogeneous and continuous coating structure was achieved at a traverse speed of 30 cm/min and a Mode 2 powder feed rate. In the second stage of the study, thermal oxidation was performed to convert the metallic aluminum deposited by cold spray into alpha-alumina (alpha-Al2O3), a protective ceramic phase. Investigations confirmed through x-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) analyses that a temperature of 700 °C was insufficient to form a stable oxide layer; however, the treatment conducted at 1000 °C for 240 minutes completely converted the aluminum into the stable α-Al2O3 phase. In the final stage, the developed system was subjected to aggressive CMAS and hot corrosion tests at 1200 °C for 10 hours. As a result, aluminum cold spray applications can used in the relevant enviroments proved.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    1009658

    CMAS ve erimiş tuz korozyonundan korumak için AL ile modifiye edilmiş CYSZ termal bariyer kaplamalar

    AL-modified CYSZ thermal barrier coatings for protection against CMAS and molten salt corrosion

    NURÇİN SOLAK URAL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2026

    Makine MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYŞEGÜL AKDOĞAN EKER

  2. Tez No

    932149

    Remote sensing-based analyses for fire danger assessment and active fire monitoring in forest ecosystems

    Orman ekosistemlerinde yangın tehlikesinin değerlendirilmesi ve aktif yangın izleme için uzaktan algılama tabanlı analizler

    HATİCE ATALAY

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Jeodezi ve Fotogrametriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ADALET DERVİŞOĞLU

  3. Tez No

    920478

    Ultrason, UV-C ve gümüş nanopartikül uygulamalarının taze doğranmış star ruby ve marshseedless (Citrus paradisi Macf.) altıntopunda raf ömrü ve kalite özellikleri üzerine etkileri

    Effects of ultrasound, UV-C, and silver nanoparticle applications on shelf life and quality characteristics of freshly cut star ruby and marsh seedless (Citrus paradisi Macf.) grapefruit

    ŞAMİL TATAR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    ZiraatBolu Abant İzzet Baysal Üniversitesi

    Bahçe Bitkileri Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. İHSAN CANAN

  4. Tez No

    920748

    Odun bazlı polimerik kompozit panellerde sensör uygulamaları

    Sensor applications in wood-based polymeric composite panels

    ÖZDEN BESTE KOÇOĞLU

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Polimer Bilim ve TeknolojisiKocaeli Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜRALP ÖZKOÇ

  5. Tez No

    997716

    Lityum iyon sonrası batarya sistemleri için katı elektrolitlerin geliştirilmesi

    Development of solid electrolytes for post-lithium-ion battery systems

    MUSTAFA ÇELİK

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2026

    EnerjiSakarya Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. TUĞRUL ÇETİNKAYA

Geri Dön