Çok katmanlı ve fonksiyonel derecelendirilmiş CYSZ/Gd2Zr2O7 esaslı yeni nesil termal bariyer kaplamaların üretimi ve karakterizasyonu

Bu çalışmada 2, 4, 8 ve 12 katmandan oluşan çok katmanlı (ÇK) ve fonksiyonel derecelendirilmiş (FD) tasarımlara sahip gadolinyum zirkonat (GZ) / CYSZ (serya-itriya stabilize zirkonya) kaplamalar yüksek hızlı oksi-yakıt (HVOF) ve atmosferik plazma sprey (APS) teknikleri ile üretilmiştir. Bu sayede seramik üst katman malzemesi olan GZ'nin yüksek olan CMAS ve sıcak korozyon direnci, termal kararlılığı ve düşük termal iletkenlik özellikleri ile CYSZ'nin yüksek termal genleşme katsayısı (CTE) özelliği aynı sistemde bir araya getirilmiştir. Üretimlerde ticari termal bariyer kaplama tozları kullanılmıştır. Tüm tasarımlarda en üst katman %100 GZ en alt katman ise %100 CYSZ olacak şekilde üretimler yapılmıştır. HVOF prosesi ile bağ katmanı, APS prosesi ile de seramik üst katmanlar üretilmiştir. Kaplamaların elektron mikroskobu ile elde edilen kesit ve yüzey görüntülerinden; APS yöntemi ile üretilmiş TBKların karakteristik mikroyapı özelliklerine sahip olduğu anlaşılmıştır. GZ ve CYSZ tozlarının plazma alevi içerisinde yeterli derecede ergidiği ve katmanların birbirine sorunsuz bir şekilde bağlandığı gözlenmiştir ve kaplamaların porozite miktarlarının % 9,1 ile 15,1 arasında değiştiği hesaplanmıştır. Kaplamalarda katman sayısının artışına bağlı olarak porozite miktarı da artmıştır. Bu durumun sebebi, çok katmanlı tasarımlardaki süreksiz kaplama prosesi ile açıklanmıştır. Yapışma mukavemeti analizlerinde kaplamaların 8,87 MPa ile 12,10 MPa arasında değişen mukavemet değerlerine sahip oldukları tespit edilmiştir. Bu değerlerin literatürdeki benzer çok katmanlı tasarımlarla elde edilen kaplamaların sahip olduğu yapışma mukavemeti değerleri ile kıyaslanabilir seviyede olduğu anlaşılmıştır. Seramik üst katman kalınlığı ve porozite miktarı ile yapışma mukavemeti arasında bir ilişki olduğu belirlenmiştir. Artan seramik üst katman kalınlığı ve porozite miktarı ile yapışma mukavemeti azalmıştır. Yapılan termal çevrim deneyinde numunelere 300 çevrim uygulanmıştır. Hasara neden olan ilk çatlakların seramik üst katman kenarlarından başladığı belirlenmiştir. Özellikle fonksiyonel derecelendirilmiş tasarımlarda 300 çevrim sonrasında hasar oluşmamış ancak tek katmanlı ve çift katmanlı tasarımlar sırasıyla 165 ve 185 çevrim sonunda hasara uğramışlardır. Sonuç olarak fonksiyonel derecelendirme ve çok katmanlı tasarımlar sayesinde GZ'nin termal çevrim performansının iyileştiği anlaşılmıştır. FD8 numunesinin en iyi termal çevrim performansına sahip olduğu anlaşılmıştır. GZ tozu bünyesindeki tek faz olan Fm3m uzay grubundaki kübik florit yapısı plazma spreyleme ve termal çevrim sonrasında herhangi bir dönüşümüne uğramamıştır. Üretilen kaplamalarda temel hasar mekanizmasının seramik üst katman, metalik bağ katmanı ve altlık arasındaki termal genleşme uyumsuzluğu olduğu sonucuna varılmıştır. Çok katmanlı ve fonksiyonel derecelendirme ile üretilmiş kaplamaların 1105 °C'deki termal iletkenliklerinin 1,19 W/mK ile 1,76 W/mK arasında, oda sıcaklığındaki termal iletkenliklerinin ise 0,64 W/mK ile 0,92 W/mK değerleri arasında değiştiği belirlenmiştir. CMAS ve sıcak korozyon deneyi aynı anda ve CO2 lazeri ışınının ısı kaynağı olarak kullanıldığı bir deney sisteminde gerçekleştirilmiştir. Yapılan karakterizasyon çalışmaları sonucunda sıcak korozyon ürünü olan kristalin yapıların GZ esaslı TBK yüzeyinde daha az miktarda olduğu görülmüştür. Ayrıca GZ yüzeyinde oluşan reaksiyon tabakası, ergimiş CMAS ürünlerinin TBK içerisine penetrasyonunu önlemiştir. Optimum parametrelerde elde edilen modifiye edilmiş yüzeyde porozitelerin elemine olduğu yoğun ve sütun şeklinde yüzeye dik büyüyen tanelerden oluşan bir yapı elde edilmiştir. Modifiye edilmiş bölgedeki tane boyutunun 3,69 µm (±0,59) seviyelerinde olduğu anlaşılmıştır. Optimum parametrelerde 12,73 GPa (±0,61) olarak ölçülen yüzey sertlik değerinin ise farklı parametrelerde artan tane boyutu ile azaldığı belirlenmiştir. Lazer modifikasyon sonrası herhangi bir faz dönüşümü gözlenmezken X-ışını difraksiyonu pik şiddetlerinde meydana gelen değişim nedeniyle tercihli yönlenme gerçekleştiği sonucuna varılmıştır.