بررسی میزان رسانش پوشش های متخلخل در طی فرآیند پیرگرمایی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه زنجان، دانشکده مهندسی ، گروه مهندسی مکانیک، اتاق 103، کد پستی: 313-45195

2 گروه مهندسی ، دانشکده مکانیک ، دانشگاه زنجان ، زنجان ،‌ایران

3 دانشگاه زنجان ، دانشکده مهندسی مکانیک ، زنجان ، ایران

4 دانشکده مهندسی مکانیک ، دانشگاه تربیت مدرس ، تهران

5 دانشگاه زنجان، دانشکده مهندسی، گروه مهندسی مکانیک

6 گروه آموزشی مهندسی، دانشکده مهندسی مواد، دانشگاه زنجان، زنجان، ایران

چکیده

قرارگیری پوشش‌های سد حرارتی در دما بالا، باعث ایجاد پخت در لایه سرامیکی شده و این امر تغییرات درصد تخلخل را همراه دارد. با توجه به این موضوع که ضریب رسانش حرارتی هوا موجود در تخلخل لایه‌ها بسیار کمتر از مواد سرامیکی موجود در پوشش است،‌ کاهش و یا افزایش تخلخل تغییرات ضریب رسانش پوشش را به دنبال خواهد داشت که این امر بر عملکرد کلی لایه‌های پوشش، تأثیر مستقیم دارد. در این پژوهش ابتدا بر روی نمونه‌های تهیه شده از پره توربین از جنسInconel738، پوشش سد حرارتی اعمال شد و سپس نمونه‌ها در مدت زمان مشخص در داخل کوره تحت فرآیند پیرگرمایی قرار داده شدند. تغییرات تخلخل موجود در لایه سرامیکی پوشش در طی فرایند پیرگرمایی با استفاده از پردازش تصاویر SEM بررسی شد. درصد تخلخل موجود در تصاویر به دست ‌آمده از SEM در نرم‌افزار ImageJ تعیین شده و در نرم‌افزار OOF2 ضریب رسانش حرارتی در تخلخل‌های مختلف به صورت عددی محاسبه شد. به منظور صحت سنجی نتایج عددی، توزیع دما بر روی پوشش‌های سد حرارتی با حل تحلیلی معادله انتقال حرارت فوریه به دست آمد. مطابق آنالیز تصاویر SEM به دست آمده از نمونه‌ها طی ساعات پیرگرمایی مختلف، مشاهده شد که با افزایش ساعات پیرگرمایی در طی ۴۸ ساعت، درصد تخلخل کل لایه سرامیکی ۸٪ کاهش داشته است. مطابق نتایج به دست آمده با کاهش تخلخل در لایه سرامیکی افزایش ضریب رسانش حرارتی مشاهده می‌شود که این امر باعث افزایش دمای بستر شده و به مرور زمان عملکرد اصلی این نوع پوشش‌ها را کاهش می‌دهد.

کلیدواژه‌ها


  • Zhou, S. Mukherjee, K. Huang, Y.W. Park, Y. Sohn, Failure characteristics and mechanisms of EB-PVD TBCs with Pt-modified NiAl bond coats, Mater. Sci. Eng. A.63 - 798–106, 2015.

https://doi.org/10.1016/j.msea.2015.03.120.

  • Zhou, B. Zou, L. He, Z. Xu, J. Xu, R. Mu, X. Cao, Hot corrosion behaviour of La2(Zr0.7Ce0.3)2O7 thermal barrier coating ceramics exposed to molten calcium magnesium aluminosilicate at different temperatures, Corros. Sci. 100 - 566–578, 2015. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2015.08.031
  • Zhu, D., & Miller, R. A. Thermal conductivity and elastic modulus evolution of thermal barrier coatings under high heat flux conditions. Journal of Thermal Spray Technology, 9. No 2 2000
  • Ziaei-Asl, A., & Ramezanlou, M. T. Effects of thermal barrier coating (TBC) thickness on temperature distribution of gas turbine blade. In Proceedings of the 3rd Conference on Advances in Mechanical Engineering (ICAME), Istanbul, Turkey 2017.
  • Schlichting, K. W., Padture, N. P., & Klemens, P. G. Thermal conductivity of dense and porous yttria-stabilized zirconia. Journal of materials science, 36(12), 2001.
  • Angle, J. P., Wang, Z., Dames, C., & Mecartney, M. L. Comparison of two‐phase thermal conductivity models with experiments on dilute ceramic composites. Journal of the American Ceramic Society, 2013.
  • Arai, Masayuki, Hiroya Ochiai, and Tatsuo Suidzu. "A novel low-thermal-conductivity plasma-sprayed thermal barrier coating controlled by large pores." Surface and Coatings Technology 285 - 120-127, 2016.‏
  • Chen, Dan, et al. "Comparison of thermal insulation capability between conventional and nanostructured plasma sprayed YSZ coating on Ni3Al substrates." Ceramics International 43.5 - 4324-4329, 2017.‏
  • Huang, Yiling, et al. "Effect of different types of pores on thermal conductivity of YSZ thermal barrier coatings." Coatings 9.2 138, 2019.‏
  • Song, Xuemei, et al. "Effect of Microstructure on the Thermal Conductivity of Plasma-Sprayed Al 2 O 3-YSZ Coatings." Journal of Thermal Spray Technology 25.4 - 770-777,2016.‏
  • Torkashvand, Kaveh, Esmaeil Poursaeidi, and Jafar Ghazanfarian. "Experimental and numerical study of thermal conductivity of plasma-sprayed thermal barrier coatings with random distributions of pores." Applied Thermal Engineering 137- 494-503,2018.
  • Sadowski, T., & Golewski, P. Loadings in thermal barrier coatings of jet engine turbine blades: An experimental research and numerical modeling. Springer 2016.
  • Zhong, X., Zhao, H., Zhou, X., Liu, C., Wang, L., Shao, F., ... & Ding, C. Thermal shock behavior of toughened gadolinium zirconate/YSZ double-ceramic-layered thermal barrier coating. Journal of alloys and compounds,2014.
  • (APS),”www.mdpi.com/journal/coatings, vol. 10, pp. 118, 2020.
  • Bäker, M., Rösler, J., & Heinze, G. A parametric study of the stress state of thermal barrier coatings Part II: cooling stresses. Acta Materialia, 2005.
  • Meier, S. M., Nissley, D. M., Sheffler, K. D., & Cruse, T. A. Thermal barrier coating life prediction model development. 1992
  • Klemens, P. G. Thermal conductivity of inhomogeneous materials. International journal of thermophysics.
  • “OOF2; Finite Element Analysis of Microstructures,”Available: https://www.ctcms.nist.gov/oof/oof2/. 2017.
  • Jadhav, A. D., Padture, N. P., Jordan, E. H., Gell, M., Miranzo, P., & Fuller Jr, E. R. Low-thermal-conductivity plasma sprayed thermal barrier coatings with engineered Acta Materialia,2006
  • Pawlowski, P. Fauchais, L. Pawlowski, and P. Fauchais, “hermal transport properties of thermally sprayed coatings Thermal transport properties of thermally sprayed coatings,,” Int. Mater. Rev, vol. 66, 2016.
  • Lima, R. S. Perspectives on Thermal Gradients in Porous ZrO2-7–8 wt.% Y2O3 (YSZ) Thermal Barrier Coatings (TBCs) Manufactured by Air Plasma Spray (APS). Coatings, 2020.
  • Golosnoy, I. O., Tsipas, S. A., & Clyne, T. W. An analytical model for simulation of heat flow in plasma-sprayed thermal barrier coatings. Journal of Thermal Spray Technology, 2005.
  • Bergman, T. L., Incropera, F. P., DeWitt, D. P., & Lavine, A. S. Fundamentals of heat and mass transfer. John Wiley & Sons,2011.