Thermal and mechanical behaviour of plasma-sprayed oxide ceramic coatings on steels
Başlık çevirisi mevcut değil.
- Tez No: 19414
- Danışmanlar: PROF.DR. A. HİKMET ÜÇIŞIK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Uçak Mühendisliği, Aircraft Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 1991
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 112
Özet
ÖZET PLAZMA SPREY İLE ÇELİKLER ÜZERİNE KAPLANMIŞ OK SİT SERAMİKLERİN TERMAL VE MEKANİK DAVRANIŞI Yapıların veya bileşenlerin yüzey özelliklerini iyileştirmek veya çevresel etkilerden korumak amacıyla, kaplamalar, birçok mühendislik uygulamasında kullanıl maktadır. Seramik kaplamaların metallere göre en büyük üstünlükleri; daha sert olmaları, yüksek sıcaklıklarda özelliklerinden pek fazla birşey kaybetmemeleri, sıcak korozyona ve oksidasyona karşı daha dirençli olmaları, aşınma dirençlerinin yüksek olması ve genellikle ısıl iletkenliklerinin düşük olması olarak özetlenebilir. Özellikle 1960lardan sonra, hızla gelişen gaz türbin teknolojisinde, metallerin ve değişik alaşımlarının yüksek sıcaklık altındaki çalışma şartlarında yetersiz kalmasıyla birlikte kaplamalar sıkça kullanılmaya başlanmıştır. Özellikle havacılık ve uzay bağlantılı olarak gelişen bu tür yüksek teknoloji uygulamalarına seramiklerin de girmesinin temel sebebi elbette ki yüksek sıcaklık dayanımlarının yüksek olmasıdır. Ancak hatırlanması gereken bir başka nokta, gerek havada gerekse uzayda uçacak bütün sistemlerde mukavemet/ağırlık oranının çok büyük bir önem taşıdığı ve seramiklerin aynı zamanda bu performans gereğini de sağlamalarıdır. Her ne kadar üretim yöntemine bağlı olsa da, genelde bütün seramikler belli oranda porozite içerirler ve bu da onların hem ağırlıklarını hem de termal iletkenliklerini önemli ölçüde azaltır. Bu nedenle bir metal üzerine yapılacak hafif bir seramik kaplama, metal sıcaklığını da önemli ölçüde azaltacak ve mukavemet özelliklerin korumasını sağlayacaktır. Sonuç olarak, metal malzemenin yapısal özellikleriyle (mukavemet ve süneklik gibi) seramik kaplamanın yüksek sıcaklık altındaki koruyucu özellikleri birleşince, karşılaşılan performans gereklerini sağlayan ideal bir yapı oluşur. Herhangi bir metal üzerine yapılacak bir kaplama başlıca iki temel prensip izlenerek gerçekleştirilebilir; Birincisi kaplama ve metal arasında bir difüzyon bağı oluşturularak, ikincisi ise tamamen kaplama ve metal kompozisyonlarından bağımsız bir şekilde mekanik tutunma sağlanarak... Anlaşıldığı gibi, difüzyona güvenilerek yapılacak kaplamalarda önemli bir kısıtlama ortaya çıkmaktadır. Bu durumda öncelikle metal ile kaplama arasındaki bağlanma özelliklerinin ön plana alınması gerektiğin den, zaman zaman performans gereklerini sağlayacak optimum kaplama veya taban malzeme kompozisyonlarından kaçınmak gerekebilir. Oysa 1960'larda ortaya çıkan“overlay”tipi kaplamalar, taban malzemenin yüzeyine tutunmak için bir difüzyon bağına gerek duymadıklarından kompozisyonları ve yapılan itibarıyla da sadece kaplama prosesine bağlıdırlar. Elektrik ark püskürtme, alev püskürtme, plazma püskürtme ve detonasyon püskürtme teknikleri gibi bütün termal püskürtme vıprosesleri bu tip kaplamalar üretmek için kullanılır. Her tekniğin diğerlerine göre avantajları ve dezavantajları olmasına rağmen, plazma püskürtme yöntemi özellikle havacılık ve uzay sanayiinde sıkça kullanılmaktadır. Plazma püskürtme yöntemini ön plana çıkaran nedenler arasında; yüksek plazma alevi sıcaklıkları, sağladığı inert püskürtme ortamı ve kaplama ile taban malzeme arasında meydana getirdiği iyi bağlanma özellikleri sayılabilir. Son yıllarda bir çok“overlay”tipi kaplama çıkmasına rağmen, belkide bunlar içinde en önemli olanı refraktör seramik kaplamalardır. Zira, yüksek ergime sıcaklıkları, kimyasal etkilere ve aşınmaya karşı yüksek dirençleri nedeniyle, bu tür seramik kaplamalar bir çok uygulamada kullanılmaktadır. Bu sırada, yüksek alev sıcaklığından dolayı refraktör partikülleri bile çok kısa bir zaman aralığında eritebilen plazma sprey yöntemi, bu tür seramik kaplamalar yapmak için en uygun yöntem olarak ortaya çıkmaktadır.“ Overlay”tipi kaplamaların metal yüzeylere uygulanmasından önce yüzeyin pürüzlendirilmesi bağlama kuvvetini arttırmak açısından gereklidir. Taban malzeme üzerine püskürtülen partiküller, plazma alevi içerisinde ergime derecesine kadar ısınırlar ve daha sonra yüzeye çarparlar. Yüzeye çarpan partiküller hızla soğurken aynı zamanda da büzülürler. Yüzeydeki pürüzlülükler, partiküllerin büzülmesi sırasında oluşan gerilmelerin lokalize oldukları yerlerdir. Bu lokal büzülme gerilmeleri, yüzeye çarpan partiküllerin tutunmasını sağlayan temel mekanizmadır. Diğer durumlarda seramik kaplama ile metal yüzey arasındaki bağlanmayı gerçekleştirmek için bir metal ara bağlama kaplaması kullanılabilir. Bu durumda yüzey pürüzlendirmesine gerek kalmayabilir, çünkü bu ara kaplama çoğunlukla nikel-alüminyum kompozit malzemesi ile geçekleştirilir ve bu kompozit malzemenin püskürtülmesi esnasında meydana gelen bir egzotermik reaksiyon, püskürtülen toz ile taban malzeme arasında mikro-kaynamalara yol açtığından kendiliğinden bağlanmayı temin eder. Plazma sprey prosesinde nihai kaplamanın kalitesine ve özelliklerine etki eden birçok parametre vardır. Bunların bir kısmı taşıyıcı ve plazma gazı basınçları, ark akımı ve gerilimi, plazma alevi sıcaklığı, sprey tabancasının kaplama yüzeyine uzaklığı, tabancanın yatay hızı gibi prosese ait parametrelerdir. Bir kısmı da sprey edilecek toza bağlı parametrelerdir. Bunların arasında püskürtülen tozların morfolojisi, boyutları ve boyut dağılımları birinci derecede rol oynarlar. Tozların plazma alevine karıştıkları andan yüzeye çarptıkları ana kadar geçen süre içinde, plazma gazından partiküllere bir ısı transferi gerçekleşir. Bunun sonucunda tozlar erir veya yarı erimiş bir durumda yüzeye çarparlar. Kaplamanın özellikleri üzerinde büyük etkisi olan bu ısı transferi, bir taraftan da toz parametrelerine bağlıdır. Partiküllerin morfolojisi, boyutu ve boyut dağılımları ısı tranferinde önemli rol oynar. Yüzey alanı/hacim oranının büyük olduğu bir morfolojik yapıya sahip olan partiküller ısı transferinden daha fazla pay alırlar. Aynı şekilde küçük tanelerin ergimesi de kolay olur. Partiküllerin yüzeye çarpana kadar plazma alevi içerisinde izledikleri yörüngenin de ısı transferi üzerinde etkisi vardır. Şöyle ki; büyük partiküller plazma alevinin ek- vıısenine yakın haraket ederken, küçük ve daha hafif partiküller alevin dış sınırları üzerinde hareket ederler. Yüzeye çarparken, alev eksenine uzak partiküller yüzeyden kaçma eğilimine girerler ve eğer kütleleri çok küçük olursa (dolayısıyla onları yörünge de tutan atalet kuvvetleri) yüzeye çarpmayabilirler. Bunu engellemek için partikül dağılımını, dağılım aralığı çok geniş olmayacak şekilde ayarlamak gerekmektedir. Genellikle plazma sprey ile yapılan kaplamaların yüzeye paralel tabakalı bir yapısı vardır. Bu tabakalara dik yöndeki bağlanma kuvveti, tabakalara paralel yöndeki bağlanma bağlanma kuvvetine göre oldukça düşüktür. Yüzey pürüzlendirilmesinin bir sebebi de yüzeye tamamen paralel tabakalar yerine dalgalı tabakalar oluşturarak, yüzeye dik bağlanma kuvvetini artırmaktır. Yüzeye çarpan ergimiş veya yarı-ergimiş partiküller büzülürken, bir altlarındaki tabaka bu büzülmeyi engelleyeceğinden kaplama tabakasında genellikle kalıntı çekme gerilmeleri oluşur. Seramik kaplamalar özellikle çekme gerilmeleri altında oldukça kırılgan oldukları için bu durum bir dezavantaj oluşturur. Herhangi bir metal yüzeyi bir seramikle kaplandığında, artık herbir bileşeninin farklı fiziksel ve mekanik özelliklere sahip olduğu bir kompozit sistem ortaya çıkar. Bu nedenle, tüm sistemi kompozit bir yapı olarak değerlendirmek gerekir. Bu durumda, termal genleşme ve elastiklik modülü farklarının metal/seramik arayüzeyinde oluşturacağı gerilme süreksizliği de gözönüne alınmalıdır. Birim şekil değişimleri elastik bölge içinde kalmak şartıyla, taban malzemeden farklı bir elastik modüle sahip kaplama, yükleme altında arayüzeyde gerilme süreksizliğine sebep olacaktır. Kaplama, taban malzemeye nazaran rijidleştikce daha çok gerilmeye maruz kalır ve bu gerilme, yükleme veya elastik modülü farkı arttıkça daha da artar. Elastik modülleri farkının oluşturduğu mekanik gerilmede olduğu gibi, termal genleşme uyumsuzluğu da, arayüzeydeki geometrik uyumdan dolayı bir gerilme süreksizliğine sebep olur. Bu durumda, eğer kaplama taban malzemeye göre çok ince olursa, kaplamanın varlığı taban malzemenin genleşmesini önleyemez. Dolayısıyla yükün hemen hepsi kaplama tarafından karşılanır. Genellikle seramiklerin elastik modülleri metallere göre oldukça yüksektir ve lineer termal genleşme katsayıları da oldukça düşüktür. Kaplama ve taban malzeme den oluşan kompozit yapıya bir yük uygulandığında, elastik modülü yüksek olan kaplama tabakasına daha fazla gerilme gelir. Aynı durum kompozit yapı ısıtıldığında da ortaya çıkar. Bu kez termal genleşme katsayısı daha yüksek olan taban malzeme, kaplama tabakasında çekme gerilmesi oluşmasına sebep olur. Kısaca söylemek gerekirse, kaplama ile taban malzeme arasındaki elastik modül ve termal genleşme uyuşmazlıkları sonuçta kaplama tabakası içinde çekme gerilmeleri oluşmasına sebep olabilirler. Bu durum ara yüzeyde bir gerilme süreksizliğine sebep olduğundan, kaplamanın dayanımı açısından oldukça önemlidir. Bu gerilme süreksizliğini yumuşatmak için bir yol, kaplama ile taban malzemelerinin ortasında termal ve mekanik özelliklere sahip ara kaplamalar kullanmaktır. Diğer bir yol ise,“graded coating”de denilen taban malzemeden en üsteki kaplama tabakasına kadar sürekli formda geçişin sağlandığı vıııbir kaplama gerçekleştirmektir. Kaplamanın dayanımına dolayısıyla ömrüne etki eden bir diğer faktör kaplama kalınlığıdır. Kaplama kalınlığı arttıkça kaplama içinde oluşan kalıntı çekme gerilmesi miktarı da artar ve hatta kaplama içinde çatlak oluşumuna bile yol açabilir. Kaplama içinde oluşacak bir çatlağın ucuna gelecek gerilme değeri, kaplama kalınlığının karekökü ile orantılıdır. Bu yüzden kaplama kalınlığı arttıkça, bir yandan çekme gerilmeleri şiddetlenirken bir yandan da oluşacak muhtemel çatlakların büyüme tehlikesi ortaya çıkar. Bu durumdan kaçınmak için çoğunlukla performans gereklerini sağlayacak mümkün olan en ince kaplamaları yapma yoluna gidilir. Bu çalışmada Metco tarafından sağlanan beş değişik seramik toz ile dört değişik taban malzeme üzerine kaplamalar yapılmış ve bunların mekanik ve ter mal yükler altında davranışları incelenmiştir. Kaplamalar bir el-kontrollü Metco plazma sprey sistemi ile gerçekleştirilmiştir. Seramik kaplamaların bağlanma ve yüzey özelliklerinin kalitatif olarak tayini için, AISI 1015 ve 304 çelikleri üzerine yapılmış kaplamaların 3-noktadan eğme deneyleri yapılmıştır. Seramik kaplamaların süneklilik özelliklerinin ve taban malzemenin mukavemetini ne ölçüde etkilediklerinin kantitatif olarak tayini için AISI 1050 ve 4140 çelikleri üzerine yapılmış kaplamaların çekme deneyleri yapılmıştır. Bunların yanısıra, değişik seramik kaplamaların mikro- sertlik değerleri ölçülmüş, termal şok deneyleri, alev testleri, Erichsen testleri, met- alografik incelemeleri ve ısıl işlem deneyleri yapılmıştır. Mekanik deney sonuçları göstermiştir ki, gerilme yüklemesi altında seramik kaplamalarda önce mikroçatlak oluşumu başlamakta ve daha sonra bunlar makroçatlak haline dönüşmektedir. Bu oluşumlar, çekme ve eğme deneylerinde yükte meydana gelen dalgalanmalarda kendini göstermektedir. Mikrosertlik deneyleri sonucunda seramik kaplamalarının taban malzemesine göre oldukça yüksek sertlik değerlerine sahip olmasına rağmen literatürde rastlanan çok yüksek sertlik değerlerine ulaşılamamıştır. Metalografik incelemeler zaman zaman ara yüzeyde. boşlukların meydana gelebildiğini ve hem kaplama hem de ara tabakada boşlukların, erimemiş partiküllerin ve oksit partiküllerin yer alabileceğini göstermiştir. Termal şok ve alev testleri, seramik kaplamaların ani sıcaklık değişimlerine oldukça dirençli olduklarını ve düşük termal iletkenlikleriyle taban malzemeyi yüksek sıcaklıklara karşı çok iyi koruduklarını göstermiştir. Özellikle alev testleri göstermiştir ki, seramik kaplamalar ta ban malzemenin ömrünü yüzde 400 oranında artırabilmektedir. Kaplama cephesin den kısa süreli gelecek yüksek sıcaklıklara ve sıcaklık değişimlerine dirençli olduğu gözlenen kaplanmış numunelerin bir çoğu 1000 °C'de iki saatlik bir ısıl işlem sonrasında tamamen hasara uğramışlardır. AISI 1015 karbon çelikleri üzerinde yapılan kaplamaların hepsi de ara yüzeyin aşırı derecede oksitlenmesi sonucunda hasara uğramıştır. AISI 304 paslanmaz üzerine yapılan kaplamalarda ise, alumina esaslı kaplamalar havada soğutma esnasında muhtemelen termal genleşme farkının doğurduğu gerilmelerden dolayı hasara uğramıştır. Paslanmaz çelik üzerine ikişer adet yapılan zirkonya esaslı kaplamalardan ise birer numune sağlam kalırken diğerleri ısıl ıxişlem sırasında hasara uğramıştır. Literatürle karşılaştırıldığında, bunun muhtemelen kaplamanın destabilizasyonu açısından kritik bir ısıl işlem uygulanmasından ileri geldiği sanılmaktadır. Ancak, termal sprey yöntemi ile yapılan kaplamalarda meydana gelebilecek hasarların aynı zamanda; kaplama içindeki ve arayüzeydeki kusurların ve bu kusurların yükleme şartlarına vereceği reaksiyonların bir fonksiyonu olduğu da dikkate alınması gereken önemli bir noktadır.
Özet (Çeviri)
SUMMARY In this study; behaviours of different ceramic coatings on several metal sub strates were investigated under different mechanical and thermal loading conditions, metallographic evaluations was carried out to determine the structures of the coat ings and interfacial regions, X-ray characteristics of initial powders and sprayed coatings were examined to determine cristallographic changes during spraying and after several tests. Plasma spray process was used in the deposition of powders on base materials. The surfaces of the base materials were firstly sand blasted, then cleaned and finally roughened by grit blasting prior to spraying process. Powders used in the spraying process were grey alumina, alumina-titania blend, alumina- titania composite, lime stabilized zirconia and magnesium zirconate. Base materials used were AISI 1015, 304, 1050 and 4140 steels. Microhardness measurements, ten sile, 3-point bending, Erichsen, flame, thermal shock and post-heat treatment tests were carried out on coated specimens. It was shown by tensile and 3-point bending tests that ceramic coatings have a failure mechanism in which microcrack formations prevail and, as the stress level is increased, macrocrack formations start. Microhardness measurements revealed, that the ceramic coatings have high hardness values especially with respect to base materials used, but they are still below the values reported in literature. Thermal shock and flame tests showed, that ceramic coatings are resistant to high tempera ture gradients and they have good thermal barrier properties. However, relatively long term heat treatments resulted in oxidation problems at the interfacial region in the case of using AISI 1015 carbon steel substrates. In the case of using AISI 304 stainless steel substrates, the failure mechanisms appeared to be the thermal expansion mismatch and partial destabilization of the coating structure.
Benzer Tezler
- Plazma spreylenmiş Cr3C2-NiCr ve Al203-TiO2 kaplamaların abraviz aşınma davranışlarının incelenmesi
Başlık çevirisi yok
UĞUR PAMUK
- Farklı kompozisyona sahip yüksek entropili alaşımların termal bariyer kaplama sistemlerinde kullanılması ve yüksek sıcaklık davranışlarının incelenmesi
The use of high entropy alloys with different compositions in thermal barrier coating systems and investigation of their high-temperature behavior
OKAN ODABAŞ
Doktora
Türkçe
2024
Makine MühendisliğiBartın ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDULLAH CAHİT KARAOĞLANLI
DOÇ. DR. YASİN ÖZGÜRLÜK
- Katodik ark destekli yayındırma yöntemi ile çeliklerin alüminyumlanmasına manganın etkisi
Effect of manganese addition on aluminizing of steels with cathodic arc based diffusion process
GİZEM SOYDAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. NURİ SOLAK
- Nitrürleme ve akımsız Ni-P ile ınconel 625 kaplamanın yüzey özelliklerinin geliştirilmesi
Improvement of surface properties of inconel 625 coatings by nitriding and electroless Ni-P
RAMAZAN HALDUN TOPÇU
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Makine MühendisliğiBilecik Şeyh Edebali ÜniversitesiMakine ve İmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HARUN MİNDİVAN
- Plazma sprey yöntemiyle üretilmiş biyocam kaplamaların karakterizasyonu
Characterization of plasma sprayed bioglass coatings
TOKAY YAZICI
Yüksek Lisans
Türkçe
2003
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. GÜLTEKİN GÖLLER