Termal bariyer kaplama uygulamaları için Gd2Zr2O7 seramiğinin termofiziksel özelliklerinin geliştirilmesi
Development of thermophysical properties of Gd2Zr2O7 ceramics for thermal barrier coating applications
- Tez No: 958844
- Danışmanlar: PROF. DR. YUSUF KAYALI, DOÇ. DR. HASAN GÖKÇE
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Afyon Kocatepe Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 103
Özet
Termal Bariyer Kaplamalar (TBK), gaz türbinlerinde yüksek sıcaklığa sahip gaz akımlarına maruz kalan bileşenleri korumak, sistemin dayanıklılığını artırmak ve yakıt verimliliğini iyileştirmek amacıyla yaygın olarak tercih edilmektedir. Bu kaplama sistemleri, genellikle süper alaşım bir altlık üzerine uygulanan metalik bir bağ katmanı ve onun üzerinde yer alan seramik bir üst katmandan meydana gelir. Günümüzde en yaygın ve etkili Termal Bariyer Kaplama (TBK) malzemesi, %8 oranında itriyum oksit ile stabilize edilmiş zirkonya (YSZ) olarak öne çıkmaktadır. Yüksek sıcaklıklara karşı dayanıklı olan bu seramik kaplamalar, yaklaşık 1200 °C'ye kadar etkin bir şekilde kullanılabilmekte, düşük termal iletkenlikleri ve yüksek termal şok dayanımları sayesinde motor ve türbin sistemlerinde kritik bir koruma sağlamaktadır. Zirkonya, oda sıcaklığında monoklinik kristal yapıda bulunmakta; sıcaklığın artmasıyla 1170 °C'de tetragonal faza, 2370 °C'nin üzerinde ise kübik kristal yapıya dönüşmektedir. Bu faz geçişleri sırasında yaşanan %3-5 oranındaki hacim değişimi, kaplama bütünlüğünü bozarak servis ömrünü ciddi şekilde kısaltmaktadır. Bu nedenle, mevcut kaplama sistemlerinin yerine daha üstün termal, mekanik ve kimyasal özelliklere sahip yeni nesil malzemelerin geliştirilmesi, türbin bileşenlerinin ömrünü uzatmakta, bakım periyotlarını azaltmakta ve sistemin genel verimliliğini artırarak yüksek sıcaklık koşullarında daha güvenli çalışma koşulları sunmaktadır. Bu amaç doğrultusunda daha yüksek termal kararlılık, düşük termal iletkenlik ve yüksek termal genleşme gibi özellikleriyle Gd₂Zr₂O₇ (GZO) seramikleri öne çıkmaktadır. Bu seramikler termal bariyer kaplama sistemlerinde YSZ'ye alternatif bir malzeme olarak düşünülmektedir. Gd₂Zr₂O₇ (GZO) esaslı seramiklerin termal bariyer kaplamalarda (TBK) kullanımı, sahip oldukları avantajlı özellikler nedeniyle giderek yaygınlaşmaktadır. Ancak sınırlı kırılma tokluğu, nadir toprak elementlerine olan bağımlılık ve yüksek üretim maliyetleri gibi etkenler, bu malzemelerin sürdürülebilirliği açısından bazı zorluklar doğurmaktadır. Bu çalışmada, GZO seramikleri Fe, Mo ve Ti gibi nadir toprak elementi olmayan elementlerle ve Yb ile farklı oranlarda katkılanarak 8 adet numune üretilmiş ve bu katkılamanın mekanik ve termo-fiziksel özellikler üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Katkısız GZO seramiği kusurlu florit (F) fazında, katkılı GZO seramikleri ise piroklor (P) fazında oluşmuştur. 900 °C'de katkısız GZO'nun termal iletkenliği 2,21 W.m-1.K-1 olarak ölçülmüşken, katkılı seramiklerde bu değer en düşük 0,89 W.m-1.K-1 seviyesine kadar düşmüştür. 1150 oC sıcaklıkta katkısız GZO'nun termal genleşme katsayısı 11,48 × 10-6.K-1 olarak belirlenmiş, katkılı GZO seramiklerinde ise bu değerler 10,39 × 10-6.K-6 ile 11,88 × 10-6.K-6 arasında değişmiştir. Mekanik özellikler açısından, katkısız GZO'nun sertliği 10,88 GPa olarak ölçülmüş, katkılı seramiklerde bu değer 8,64 GPa ile 10,99 GPa arasında değişmiştir. Elastik modül katkısız GZO için 307 GPa iken, katkılı numunelerde 302 GPa ile 343 GPa arasında ölçülmüştür. Kırılma tokluğu katkısız GZO için 1,36 MPa.m1/2 olarak hesaplanmış, katkılı seramiklerde ise bu değer 0,92 MPa.m1/2 ile 1,64 MPa.m1/2 aralığında bulunmuştur. Bu bulgulara dayanarak, katkılı GZO seramiklerinin TBK uygulamaları için potansiyel taşıdığı sonucuna varılabilir. Ayrıca, bu seramiklerde nadir toprak elementlerine olan bağımlılığın azaltılması, daha sürdürülebilir ve çevre dostu kaplama malzemelerinin geliştirilmesine katkı sağlayabilir.
Özet (Çeviri)
Thermal Barrier Coatings (TBCs) are widely utilized in gas turbines to protect components exposed to high-temperature gas flows, enhance system durability, and improve fuel efficiency. These coating systems typically consist of a metallic bond coat applied onto a superalloy substrate, topped with a ceramic top coat. Today, the most common and effective TBC material is zirconia (ZrO2) stabilized with 8 wt.% yttria (Y2O3), known as 8YSZ. These ceramic coatings, which are highly resistant to elevated temperatures, can function effectively up to approximately 1200 °C and provide critical protection in engine and turbine systems thanks to their low thermal conductivity and high thermal shock resistance. Zirconia exists in a monoclinic crystal structure at room temperature; as the temperature rises, it transforms to a tetragonal phase at 1170 oC and to a cubic phase above 2370 oC. These phase transitions involve a volumetric change of about 3–5%, which compromises the integrity of the coating and significantly reduces its service life. Therefore, the development of next-generation materials with superior thermal, mechanical, and chemical properties is essential to replace current coatings. Such materials can extend the lifespan of turbine components, reduce maintenance intervals, and improve overall system efficiency while ensuring safer operation under extreme thermal conditions. In line with this goal, Gd2Zr2O7 (GZO) ceramics have emerged as promising candidates due to their higher thermal stability, lower thermal conductivity, and desirable thermal expansion properties. These ceramics are considered a potential alternative to YSZ in thermal barrier coating systems The use of Gd2Zr2O7 (GZO)-based ceramics in thermal barrier coatings (TBCs) has been increasingly widespread due to their advantageous properties. However, limited fracture toughness, dependence on rare-earth elements, and high production costs pose certain challenges to the sustainability of these materials. In this research, eight samples of GZO ceramics were produced by doping with various ratios of non-rare-earth elements such as Fe, Mo, and Ti, along with Yb, and the effects of these dopants on the mechanical and thermophysical properties were investigated. The undoped GZO ceramic exhibited a defective fluorite (F) phase, while the doped GZO ceramics formed in the pyrochlore (P) phase. At 900 oC, the thermal conductivity of undoped GZO was measured as 2,21 W.m-1.K-1, whereas in the doped ceramics, it decreased to as low as 0,89 W.m-1.K-1. At 1150 oC, the thermal expansion coefficient of undoped GZO was determined to be 11,48 × 10-6.K-1, while in the doped GZO ceramics, these values ranged from 10,39 × 10-6.K-1 to 11,88 × 10-6.K-1. In terms of mechanical properties, the hardness of undoped GZO was measured as 10,88 GPa, while the doped ceramics exhibited hardness values ranging from 8,64 GPa to 10,99 GPa. The elastic modulus of the undoped GZO was 307 GPa, whereas the doped samples showed values between 302 GPa and 343 GPa. The fracture toughness of the undoped GZO was calculated as 1,36 MPa.m1/2, while for the doped ceramics, it ranged from 0,92 MPa.m1/2 to 1,64 MPa.m1/2. Based on these findings, it can be concluded that the doped GZO ceramics possess potential for TBC applications. Furthermore, reducing the reliance on rare-earth elements in these ceramics may contribute to the development of more sustainable and environmentally friendly coating materials.
Benzer Tezler
- Çevresel bariyer kaplama uygulamaları için nadir toprak elementleri silikat seramiklerin üretimi ve ısıl davranışlarının incelenmesi
Production and thermal behaviour of rare earth elements silicate ceramics for environmental barrier coating application
ÖZGE ÖZÇELİK
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Metalurji MühendisliğiAfyon Kocatepe ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YILMAZ YALÇIN
DR. ÖĞR. ÜYESİ MUHAMMET KARABAŞ
- Investigating the oxidation and high temperature wear behaviour of hot-dip aluminized and diffusion annealed inconel 718 superalloy
Sıcak daldırma alüminyum kaplama ve difüzyon tavlaması uygulanmış ınconel 718 süperalaşımının oksidasyon ve yüksek sıcaklık aşınma davranışının incelenmesi
AHMET KAVUKCU
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT BAYDOĞAN
- Çelikhane cürufu içeriğine sahip kaplamaların aşınma, oksidasyon ve sıcak korozyon davranışlarının incelenmesi
Investigation of wear, oxidation and hot corrosion behavior of coatings with steelmaking slag content
MECİT ÖGE
Doktora
Türkçe
2021
Makine MühendisliğiKarabük ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA BAHATTİN ÇELİK
DOÇ. DR. ABDULLAH CAHİT KARAOĞLANLI
- Effects of pressure and bias voltage on the morphology and properties of refractory WNbMoV high entropy thin films coated via magnetron sputtering
Basınç ve bıas voltajının, magnetron sıçratma yoluyla kaplanmış refrakter WNbMoV yüksek entropili ince filmlerin morfolojisi ve özellikleri üzerindeki etkileri
SEVDA JAFARI AGHDAM
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA LUTFİ ÖVEÇOĞLU
- Characterization of carrageenan films incorporated with flaxseed oil
Keten tohumu yağı içeren karragenan filmlerin karakterizasyonu
NİL IŞIK YEŞİL
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FATMA BEDİA BERKER