Lantan zirkonat esaslı termal bariyer kaplamaların üretimi ve karakterizasyonu

Termal bariyer kaplamalar (TBK), enerji ve uçak-uzay sanayisine ait gaz türbinlerinde yapısal bileşenlerin yüksek sıcaklığa karşı korunmasında çok geniş uygulama alanına sahiptir. Bununla birlikte, güç üretici motorların yüksek verimliliğe sahip olması operasyon sıcaklığının artması olarak düşünülebilir. Termal bariyer kaplama kavramı; soğutulan metalik malzeme ile sıcak gaz katmanı arasına, iş parçasına ısı transferini engelleyecek\yavaşlatacak termal yalıtım yeteneği yüksek malzeme katmanını içermektedir. Günümüzde geliştirmiş en iyi ve yaygın Termal Bariyer Kaplama malzemesi %8 İtriyum ile stabilize edilmiş zirkonyum (YSZ) dur. TBK, seramik bir kaplama olup, oda sıcaklığından 1200 °C'ye kadar kullanılabilir ve bu kaplamalar düşük termal iletkenliğe, yüksek termal şok dayanımına sahiptir. Zirkonya oda sıcaklığından 1170 °C'ye kadar monoklinik kristal yapıdadır ve artan sıcaklıklarda tetragonal (1170-2370°C) yapıdan kübik kristal yapıya (>2700°C ) allotropik dönüşümler gösterir. Bu dönüşümler % 3-5'lik hacim değişimini de beraberinde getirdiğinden kaplamaların bütünlüğü ve servis ömrü kısalır. Kullanımda olan mevcut kaplama malzemeleri yerine termal, mekanik ve kimyasal özellikleri daha üstün malzemeler; türbinlerin daha güvenli şekilde çalışmasını, türbin veriminin artmasını, türbin bakım aralıklarının uzamasını ve son derece pahalı olan sıcak kısım parçalarının ömürlerinin artmasını sağlayacaktır. Bu çalışma havacılık endüstrisinde kullanılan gaz türbin motorların bileşenlerinden olan türbin kanatlarının ve yanma odalarının yüksek sıcaklıkta oksidasyon ve korozyondan korumak amacıyla kaplanmasında kullanılan Y2O3 (yttria) ile stabilize edilmiş ZrO2 (YSZ) yerine, daha üstün termofiziksel özellikleri ile kullanılması muhtemel malzemelerden olan La2Zr2O7 (LZ) ve molar olarak %30 Gd2O3, Yb2O3 gibi nadir toprak elementleri ile modifiye edilmiş LZ esaslı kaplamalar amorf ve kristallin tozlar kullanılarak literatürde ilk defa üretilmiştir. Kaplamaların üretilmesi amacıyla paslanmaz çelik, aluminyum ve Inconel super alaşım altlık malzemeler üzerine öncelikle HVOF (High Velocity Oxygen Fuel) işlemi ile bağ katman kaplamalar (NiCoCrAlY) üretilmiş, daha sonra seramik üst katman kaplamalar APS (Atmospheric Plasma Spray) işlemi kullanılarak kaplamaların üretim işlemi yapılmıştır. Karakterizasyon çalışmaları kapsamında kaplamaların mikroyapısal özellikleri, yapışma mukavemetleri, termal iletkenlik, termal çevrim, termal şok ömürleri ve optimum lazer yüzey modifikasyon parametreleri belirlenmiştir. Termal çevrim ve termal şok testleri sonrasında kaplamalarda meydana gelen hasarların sebepleri araştırılmıştır. Lazer yüzey modifikasyonu için 4 farklı parameter belilenmiş ve bu parametreler ile modifiye edilen kaplama yüzeylerindeki mikroyapısal değişimler SEM ile incelenerek intersept metodu ile tane boyutu hesaplanmış ve bu yüzeylerin sertlik değerleri ölçülmüştür. Karakterizasyon çalışmaları neticesinde tüm kaplamaların başarılı şekilde üretildiği, termal bariyer kaplamaların karakteristik mikroyapı özelliklerini gösterdiği, tüm kaplamaların faz yapısının düzensiz florit yapı olduğu, yapışma mukavemeti ve termal iletkenlik değerleri acısından ise YSZ ve CYSZ' ya göre üstün özelliklere sahip olduğu görülmüştür. Ayrıca Gd ve Yb ile modifiye edilmiş kaplamaların termal çevrim ömürlerinin YSZ ve CYSZ'ya yaklaştığı belirlenmiştir. Termal şok testlerinde ise tüm kaplamalar YSZ ve CYSZ kaplamalara nazaran daha kötü performans göstermiştir. Termal çevrim ve termal şok testleri neticesinde oluşan hasarların sebepleri incelendiğinde ise seramik üst katman kaplamaların sinterlenmesi ile mikroyapının değişmesi, termal genleşme katsayısı uyumsuzlukları ve üst katman ile bağ katman arasında termal olarak büyüyen oksit tabakası (TGO) oluşumu sonucu oluşan gerilmeler ve bu gerilmelerin oluşturduğu kılcal çatlaklar gibi etmenlerin kaplamaların hasar görmesine sebep oldukları sonucuna varılmıştır. Termal çevrim ve termal şok testleri sonrasında kaplamalar faz stabilitelerini korumuştur. En yüksek termal çevrim performansına sahip olan LYZA ve LYZC kaplamalar için optimum lazer yüzey modifikasyon parametreleri ile yapılan işlem neticesinde 25-40 µm kalınlığında porozitesiz, az pürüzlü ve yoğun bir tabaka başarı ile elde edilmiştir. Lazer ile modifiye edilmiş bölgelerin ortalama tane boyutunun artması ile sertlik değerinin azaldığı sonucuna varılmıştır.