Termal bariyer kaplamalı gaz türbin kanatlarının dinamik şartlarda sıcaklık dağılımının incelenmesi
Investigation and experimental investigation of characteristic behavior of thermal barrier coated surfaces in dynamic conditions
- Tez No: 965334
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ÜNAL UYSAL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Sakarya Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Enerji Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 136
Özet
Gaz türbini motorları, modern teknolojinin temel taşlarından biridir. Havacılık sektöründe ana güç kaynağı olarak kullanılırlar ve küresel enerji üretiminde kritik bir rol oynarlar. Çalışma prensibinin temelinde, basınçlı hava-yakıt karışımının yanması yatmaktadır. Bu yanma, yüksek enerjili egzoz gazları üretir. Pistonlu motorlardan farklı olarak, gaz türbinleri bu gazları, türbin olarak bilinen bir dizi fan kanadını olağanüstü yüksek hızlarda döndürmek için kullanır. Gelişmiş gaz türbini tasarımlarında daha yüksek termodinamik verimlilik ve daha yüksek güç çıkışı arayışı, türbin giriş sıcaklıklarının kaçınılmaz olarak artmasına neden olmuştur. Günümüz motorları, egzoz gazı sıcaklıkları rutin olarak 1500 °C'yi aşan koşullarda çalışmaktadır. Bu aşırı termal koşullar, genellikle nikel bazlı süper alaşımlardan imal edilen türbin kanatlarına ciddi termomekanik gerilimler uygular. Bu alaşımlar, yüksek sıcaklıklarda yüksek mukavemetli performans için tasarlanmış olsa da, sünme, yorulma ve oksidasyona karşı hassastır ve bu da kanatların felaketle sonuçlanabilecek arızalarına yol açabilir. Bu riskleri azaltmak ve metal alaşımların erime noktasının ötesindeki sıcaklıklarda çalışmayı mümkün kılmak için Termal Bariyer Kaplamalar (TBK) yaygın olarak kullanılmaktadır. TBK'lar, yapışma ve oksidasyon direnci için metalik bir bağ katmanı ve düşük termal iletkenliği, yüksek sıcaklık kararlılığı ve aşınma direnci ile tanınan seramik bir üst katmandan (genellikle itriyum stabilize zirkonya (YSZ)) oluşan gelişmiş çok katmanlı malzeme sistemleridir. Bu seramik katman, termal yalıtkan görevi görerek altta yatan metalik alt tabakanın maruz kaldığı sıcaklığı önemli ölçüde düşürür. Bu kaplamaların dayanıklılığı ve ömrü son derece önemlidir. Geleneksel olarak, TBK'ların ömür değerlendirmesi, fırın döngüsü gibi statik laboratuvar koşullarında termal şok testleri ile yapılmaktadır. Ancak, bu tür testler, çalışan bir motordaki türbin kanatlarının maruz kaldığı karmaşık, çok yönlü stres durumunu tam olarak yansıtamamaktadır. Bu çalışma, gaz türbininin dönme ortamını simüle eden dinamik koşullar altında TBK'ların dayanıklılığını, ömrünü ve yüzey sıcaklık dağılımını deneysel olarak inceleyerek bu kritik boşluğu ele almaktadır. Çalışma ortamının daha gerçekçi bir simülasyonunu elde etmek için, bu araştırma için özel olarak tasarlanmış ve üretilmiş bir dinamik test cihazı geliştirilmiştir. Bu cihaz, TBK kaplı numunelerin yüksek sıcaklıkta gaz akımı içinde yüksek hızlarda dönmesini kolaylaştırarak, statik testlerde bulunmayan merkezkaç kuvvetleri ve radyal gaz akışları oluşturmuştur. Türbin kanadı malzemelerini temsil eden alt tabakalar, farklı kalınlıklarda TBK'larla kaplanmıştır. Temel amaç, bu dinamik termomekanik yükler altında kaplama kalınlığının performans ve ömür üzerindeki etkisini sistematik olarak değerlendirmekti. Her numunenin dayanıklılık ömrü, kaplama arızasına kadar dönme sırasında döngüsel ısıtma ve soğutmaya tabi tutulmasıyla belirlendi; kaplama arızası genellikle önceden belirlenmiş bir parçalanma veya delaminasyon seviyesi ile tanımlandı. Bu dinamik deneylerden elde edilen veriler, dinamik ortamın etkisini nicelendirmek için literatürde bildirilen statik testlerden elde edilen verilerle sistematik olarak karşılaştırıldı. Deney sonuçları, statik test tahminlerinden önemli ölçüde sapma gösteren TBK performansına ilişkin birkaç önemli bulgu ortaya koydu. Döndürmenin doğrudan bir sonucu olan kaplama yüzeyi boyunca sıcak gazların radyal akışının, kaplamanın çalışma ömrünü önemli ölçüde azalttığı belirlendi. Bu hızlandırılmış bozulma, artan aşındırıcı aşınma ve aerodinamik yükleme tarafından indüklenen karmaşık gerilme alanlarının, temel termal uyumsuzluk gerilmeleriyle sinerjik olarak etki etmesinin birleşik etkilerine atfedilmektedir. Buna karşılık, çalışma, modern türbin kanatlarında standart bir tasarım özelliği olan iç soğutma kanallarının uygulanmasının TBK'nın ömrü üzerinde kanıtlanabilir bir olumlu etkiye sahip olduğunu doğruladı. Kaplama üzerinde daha dik bir termal gradyan oluşturarak, soğutma kanalları kritik bağ kaplama/üst kaplama arayüzündeki sıcaklığı etkili bir şekilde düşürür. Arayüz sıcaklığındaki bu düşüş, TBK arızasının başlıca nedeni olan termal olarak gelişen oksit (TGO) tabakasının büyümesini yavaşlatarak kaplamanın kullanım ömrünü uzatır. Ayrıca, kaplama kalınlığı ile dayanıklılık arasında açık bir korelasyon olduğu tespit edilmiştir. Sonuçlar, TBK'nın ömrünün kaplama kalınlığının artmasıyla uzadığını göstermiştir. Ancak, bu ilişki sınırsız değildir. Daha kalın bir kaplama üstün ısı yalıtımı sağlarken, aynı zamanda iç gerilimleri ve depolanan gerinim enerjisini de artırarak mekanik arızalara daha yatkın hale getirebilir. Farklı kalınlıklarda sistematik testler yapılarak, yaklaşık 300 µm'lik ideal bir kaplama kalınlığı belirlenmiştir. Bu kalınlık, ısı korumasını en üst düzeye çıkarmak ve mekanik bütünlüğü korumak arasında optimum dengeyi sağlar. Bu bulgu, mevcut literatürde bildirilen optimum kalınlık değerleriyle büyük ölçüde uyumludur ve bu dinamik çalışmada kullanılan deneysel metodolojiyi doğrulamaktadır. Bu araştırma, gaz türbini uygulamalarında Termal Bariyer Kaplamaların doğru ömür tahmininde statik testlerin tek başına yetersiz olduğunu vurgulamaktadır. Dinamik koşulların, özellikle de dönmeyle ilişkili merkezkaç kuvvetleri ve radyal gaz akışlarının, kaplama dayanıklılığını önemli ölçüde azaltan kritik bir faktör olduğu gösterilmiştir. Çalışma, termal bozulmayı azaltmada iç soğutmanın yararlı rolünü doğrulamakta ve yaklaşık 300 µm'lik optimal TBC kalınlığının en sağlam performansı sağladığını ortaya koymaktadır. Bu bulgular, yeni nesil gaz türbinlerinin tasarımı ve kalifikasyonu için önemli sonuçlar doğurmakta ve motor güvenilirliği ve güvenliğini sağlamak için TBK ömür modellerine dinamik etkilerin dahil edilmesinin gerekliliğini vurgulamaktadır.
Özet (Çeviri)
Gas turbine engines represent a cornerstone of modern technology, serving as the primary power source in the aviation sector and playing a critical role in global energy production. The fundamental principle of their operation involves the combustion of a pressurized air-fuel mixture, which generates high-energy exhaust gases. Unlike reciprocating piston engines, gas turbines utilize these gases to rotate a series of fan blades, known as a turbine, at exceptionally high speeds. The pursuit of greater thermodynamic efficiency and higher power output in advanced gas turbine designs has inexorably led to an increase in turbine inlet temperatures. Contemporary engines operate with exhaust gas temperatures routinely exceeding 1500 °C. These extreme thermal conditions impose severe thermomechanical stresses on the turbine blades, which are typically fabricated from nickel-based superalloys. While these alloys are engineered for high-strength performance at elevated temperatures, they are susceptible to creep, fatigue, and oxidation, which can lead to catastrophic blade failure. To mitigate these risks and enable operation at temperatures beyond the intrinsic melting point of the metallic alloys, Thermal Barrier Coatings (TBCs) are ubiquitously applied. TBCs are advanced multi-layered material systems comprising a metallic bond coat for adhesion and oxidation resistance, and a ceramic top coat—typically yttria-stabilized zirconia (YSZ)—renowned for its low thermal conductivity, high-temperature stability, and wear resistance. This ceramic layer acts as a thermal insulator, substantially lowering the temperature experienced by the underlying metallic substrate. The rationale for prioritizing dynamic testing, as undertaken in this study, stems directly from the inherent and critical limitations of conventional static evaluation methods. For decades, the industry has relied on static tests, such as isothermal furnace cycling and atmospheric burner rig tests, to assess TBC durability. While these methods are valuable for isolating specific failure mechanisms like thermal expansion mismatch between the ceramic and metallic layers and the oxidation kinetics of the bond coat, they provide a dangerously incomplete picture of the service environment. A static test, by its very nature, fails to incorporate the significant mechanical loads that are superimposed upon the thermal loads in an operational engine. The most prominent of these is the immense centrifugal force generated by rotation at tens of thousands of RPM, which induces a constant tensile stress throughout the coating system. Furthermore, static tests cannot replicate the complex aerodynamic forces, including high-frequency vibrations and flutter, which introduce additional mechanical fatigue pathways. They also neglect the severe erosive effects of high-velocity particulate matter within the gas stream, which physically wears away the protective ceramic layer, particularly at the leading edge of the blade. Consequently, life predictions based solely on static data are often non-conservative, meaning they overestimate the coating's true operational lifespan. This discrepancy poses a significant risk to engine integrity and safety. Therefore, the transition to dynamic testing is not merely an academic improvement but an engineering imperative for the accurate prediction of TBC performance and the prevention of premature, in-service failures. To achieve a more realistic simulation of the operational environment, a bespoke dynamic test rig was designed and manufactured specifically for this investigation. This apparatus facilitated the rotation of TBC-coated specimens at high speeds within a high-temperature gas stream, thereby introducing the crucial centrifugal and radial gas flow effects that are absent in static tests. The substrates, representative of turbine blade materials, were coated with TBCs of varying thicknesses. The primary objective was to systematically evaluate the influence of coating thickness on performance and longevity under these dynamic thermomechanical loads. The durability lifespan of each specimen was determined by subjecting it to cyclic heating and cooling while under rotation until coating failure, typically defined by a predetermined level of spallation or delamination. The data acquired from these dynamic experiments were then systematically compared against established data from static tests reported in the literature to quantify the impact of the dynamic environment. The experimental findings revealed several crucial insights into TBC performance that deviate significantly from static test predictions. It was determined that the radial flow of hot gases across the coating surface, a direct consequence of rotation, significantly reduces the coating's operational lifespan. This accelerated degradation is attributed to the combined effects of increased erosive wear and the complex stress fields induced by aerodynamic loading, which act synergistically with the baseline thermal mismatch stresses. Conversely, the study affirmed that the implementation of internal cooling channels, a standard design feature in modern turbine blades, has a demonstrably positive effect on the longevity of the TBC. By creating a steeper thermal gradient across the coating, the cooling channels effectively lower the temperature at the critical bond coat/top coat interface. This reduction in interface temperature slows the growth of the thermally grown oxide (TGO) layer—a primary driver of TBC failure—thereby extending the coating's useful life. Furthermore, a clear correlation between coating thickness and durability was established. The results showed that the lifespan of the TBC increases with increasing coating thickness. However, this relationship is not without limits. While a thicker coating provides superior thermal insulation, it also increases internal stresses and stored strain energy, potentially making it more prone to mechanical failure. Through systematic testing at different thicknesses, an ideal coating thickness of approximately 300 µm was identified. This thickness provides the optimal balance between maximizing thermal protection and maintaining mechanical integrity. Notably, this finding is in strong agreement with optimal thickness values reported in the existing body of literature, which serves to validate the experimental methodology employed in this dynamic study. This research underscores the inadequacy of static testing alone for the accurate life prediction of Thermal Barrier Coatings and highlights a critical void in the materials testing landscape: the lack of a standardized international protocol for dynamic TBC evaluation. Currently, no widely accepted ASTM, ISO, or other regulatory standard exists for conducting durability tests under combined high-temperature and rotational conditions. This absence forces different research institutions, coating developers, and engine manufacturers to rely on their own proprietary, non-standardized test rigs. The consequence is a fragmented and often contradictory body of data, making direct,“apples-to-apples”comparisons of different TBC systems nearly impossible and hindering collaborative progress across the industry. The unique test rig and methodology developed and validated in this study present a significant step toward rectifying this issue. By providing a controlled, repeatable, and realistic simulation of the dynamic engine environment, the experimental setup described herein has the clear potential to serve as a foundational blueprint for the development of a much-needed universal standard. Establishing such a standard would unify testing procedures, enable reliable data comparison, accelerate the development and qualification of more robust coating materials, and ultimately enhance the operational safety and efficiency of future gas turbine engines worldwide.
Benzer Tezler
- Lantan zirkonat esaslı termal bariyer kaplamaların üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of lanthanum zirconate based thermal barrier coatings
MUHAMMET KARABAŞ
Doktora
Türkçe
2016
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL YILMAZ TAPTIK
- Farklı ortam koşullarının termal bariyer kaplama özelliklerine etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of different ambient conditions on thermal barrier coating properties
SİNEM ŞAMİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Metalurji MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ BURAK BİROL
- Termal bariyer kaplı gaz türbini kanatlarında çalışma esnasında oluşan gerilmelerin modellenmesi ve analizi
During the study of thermal barrier coated wings stresses modeling and analysis of gas turbine
YAŞAR KAHRAMAN
Doktora
Türkçe
2011
Makine MühendisliğiSakarya ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İMDAT TAYMAZ
- 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
- Termal bariyer kaplamanın turbo doldurmalı bir dizel motorunun performansına etkileri
Başlık çevirisi yok
HALİT YAŞAR
Doktora
Türkçe
1997
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. VELİ ÇELİK