بررسی تجربی آثار خستگی حرارتی و بارگذاری خمشی ثابت بر واماندگی یک نمونة پوشش‌ سد حرارتی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناس ارشد / دانشکدة مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه علم و صنعت ایران

2 کارشناس ارشد / دانشکدة مهندسی مکانیک، دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی

3 عضو هیات علمی / دانشکدة مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه علم و صنعت ایران

4 عضو هیات علمی / دانشکدة مهندسی مکانیک، دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی

5 کارشناس / شرکت مهندسی ساخت و توربین مپنا (توگا)

چکیده

در این پژوهش واماندگی پوشش‌های سد حرارتی تحت تأثیر بارگذاری حرارتی سیکلی و بار مکانیکی ثابت به‌صورت تجربی بررسی شده است. آزمایش‌های تجربی روی نمونه‌هایی انجام‌شده است که از جنس آلیاژ اینکونل 617 بوده و با پوشش‌های سد حرارتی دولایة شامل پوشش پیوندی Ni22Cr10Al1Y و پوشش فوقانی ZrO2.8wt%Y2O3و به‌روش پاشش پلاسما در محیط هوا پوشش‌دهی شده‌اند. نمونه‌ها توسط یک دستگاه خستگی حرارتی که به‌طور خاص برای انجام آزمایش‌های این تحقیق طراحی و ساخته شده است، آزمایش شده‌اند. نمونه‌ها در شرایط بیشینة دمایی 1100 و 1170 درجة سانتی‌گراد و تحت بار خمشی که از طریق دستگاه به نمونه‌ها داده می‌شوند، آزمایش شده‌اند. نتایج با آزمایش‌هایی که بدون اعمال بار خمشی انجام شده است مقایسه شده است. در هر سیکل، زمان حرارت‌دهی نمونه‌ها تقریباً 10 دقیقه و زمان سردکردن آنها تقریباً 5 دقیقه بوده است. نتایج به‌دست‌آمده در این پژوهش، نشان داد که با بارگذاری‌های متفاوت، سازوکارهای تخریب پوشش‌های سد حرارتی تغییر می‌کند و طول عمر پوشش با افزایش درجه حرارت بیشینة سیکل به‌صورت نمایی کاهش پیدا می‌کند. همچنین افزایش بارگذاری مکانیکی بر کاهش طول عمر خستگی حرارتی پوشش‌های سد حرارتی نیز تأثیر قابل توجهی دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

An experimental investigation in effects of thermal fatigue and constant bending loading on failure of a sample of thermal barrier coatings

نویسندگان [English]

  • Mohammad Sadeghi 1
  • Hoseyn Ebrahimi 2
  • Hoseyn Arabi 3
  • Ali Reza Mirhabibi 3
  • Soheil Nakhodchi 4
  • Hoseyn Badrrezayi 5
چکیده [English]

In this study, the effects of thermal cyclic loading in the presence of a constant mechanical load were evaluated experimentally on failure of thermal barrier coatings. For this purpose, specimens of Inconel 617 with approximate dimensions of 100×10×6.2 mm that coated by two-layered thermal barrier coatings include a Ni22Cr10Al1Y bond coat and ZrO2.8wt%Y2O3 using air plasma spraying (APS), were considered. These specimens were tested under low cycle thermal fatigue experiment with maximum temperatures of 1000oC, 1100oC and 1170oC for thermal cycles and constant bending loads of 4500 Nmm, 6000 Nmm, 7500 Nmm and with no load by using a made test rig with the ability of four point bending load. In a thermal cycle, a specimen heating time was 10 minutes and cooling time was 5 minutes approximately. The results obtained in this study, showed that different loads change thermal barrier coatings failure mechanisms and service life cycles of coating reduce exponentially by rising maximum temperature of thermal cycle. Also increases in mechanical load have significant effect on the reduction of thermal barrier coatings life during thermal fatigue loading.

کلیدواژه‌ها [English]

  • thermal barrier coatings
  • low cycle fatigue
  • thermal fatigue
  • bending mechanical loading
  • failure mechanisms

[1] Roger, R. C. The Superalloy Fundamentals and Applications, Cambridge University, 2006.

[2] عطایی، م.، س. پهلوان یلی. "آسیب‌های وارده بر پوشش‌های سپر حرارتی در محفظه‌های احتراق توربین‌های گازی با توان بالا"، چهاردهمین کنفرانس بین‌المللی برق، تهران، شرکت توانیر، پژوهشگاه نیرو، ۱۳۷۸.

[3] Wang, L., Y. Wang, X. G. Sun, J. Q. He, Z. Y. Pan, C. H. Wang. "Thermal shock behavior of 8YSZ & double-ceramic-layer La2Zr2O7/8YSZ thermal barrier coatings fabricated by atmospheric plasma spraying." Journal of Ceramics International 3595, no. 38, 2012.

[4] Jamali, H., R. Mozafarinia, R. Shoja Razavi, R.  Ahmadi-Pidani. "Comparison of thermal shock resistances of plasma-sprayed nanostructured and conventional yttria stabilized zirconia thermal barrier coatings." Journal of Ceramics International 6705, no. 38, 2012.

[5] Ito, Y. "Heat-Resistant Coating Technology for Gas Turbines, Chapter 10.2", Handbook of Advanced Ceramics, 789. Elsevier, 2013.

[6] John Wiley and Sons. Progress in Thermal Barrier Coatings, The American Ceramic Society, 2009.

[7] احمدی پیدانی، ر.، ر. شجاع رضوی، ر. مظفری‌نیا، ح. جمالی. "اعمال و مشخصه‌یابی پوشش‌های سد حرارتی زیرکنیای پایدارشده با سریا و ایتریا روی سوپرآلیاژ اینکونل 738"، علوم و مهندسی سطح، ج. 16، ص. 44-33، 1391.

[8] Xu, H., H. Guo. Thermal Barrier Coatings, Woodhead Publishing Limited, 2011.

[9] ابراهیمی، ح.، س. نخودچی. "اثر تغییرات دما بر تورق بین صفحه‌ای در پوشش‌های سد حرارتی"، بیست و سومین همایش سالانه بین‌المللی مهندسی مکانیک ایران، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، 1394.

[10] Kucuk, A., C. Berndt, U. Senturk, R. Lima, C. Lima. "Influence of plasma spray parameters on mechanical properties of yttria stabilized zirconia coatings. I: Four points bend test." Journal of Materials Science and Engineering 29, No. 284, 2000.

[11] Evan, A., D. Mumm, J. Hutchinson, G. Meier, F. Pettit. "Mechanisms controlling the durability of thermal barrier coatings." Journal of Program in Material Science 505, No. 46, 2001.

[12] Yamazaki, Y., A. Schmid, A. Scholz. "The determination of the delamination resistance in thermal barrier coating system by four-point bending tests." Journal of Surface & Coatings Technology 744, No. 201, 2006.

[13] Mao, W., C. Dai, Y. Zhou, Q. Liu. "An experimental investigation on thermo-mechanical buckling delamination failure characteristic of air plasma sprayed thermal barrier coatings." Journal of Surface & Coatings Technology 6217, No. 201, 2007.

[14] Kim, D., I. Shin, J. Koo, C. Seok, T. Lee. "Failure mechanisms of coin-type plasma-sprayed thermal barrier coatings." Journal of  Surface & Coatings Technology 451, No. 205, 2010.

[15] Slámecka, K., L. Celko, P. Skalka, J. Pokluda, K. Nemec, M. Juliš, L. Klakurková, J. Švejcar. "Bending fatigue failure of atmospheric-plasma-sprayed CoNiCrAlY+YSZ thermal barrier coatings." International Journal of Fatigue 186, No. 70, 2015.

[16] Chen, X., L. Gu, B. Zou, Y. Wang, X. Ca. "New functionally graded thermal barrier coating system based on LaMgAl11O19/YSZ prepared by air plasma spraying." Journal of Surface and Coatings Technology 2265, No. 206, 2012.

[17] Ogawa, A. C. K. "Thermal Shock and Cycling Behavior of Thermal Barrier Coatings (TBCs) Used in Gas Turbines." Progress in Gas Turbine Performance, NITECH, 2013.