Termal bariyer kaplama uygulamaları için Gd2Zr2O7 seramiğinin termofiziksel özelliklerinin geliştirilmesi

Termal Bariyer Kaplamalar (TBK), gaz türbinlerinde yüksek sıcaklığa sahip gaz akımlarına maruz kalan bileşenleri korumak, sistemin dayanıklılığını artırmak ve yakıt verimliliğini iyileştirmek amacıyla yaygın olarak tercih edilmektedir. Bu kaplama sistemleri, genellikle süper alaşım bir altlık üzerine uygulanan metalik bir bağ katmanı ve onun üzerinde yer alan seramik bir üst katmandan meydana gelir. Günümüzde en yaygın ve etkili Termal Bariyer Kaplama (TBK) malzemesi, %8 oranında itriyum oksit ile stabilize edilmiş zirkonya (YSZ) olarak öne çıkmaktadır. Yüksek sıcaklıklara karşı dayanıklı olan bu seramik kaplamalar, yaklaşık 1200 °C'ye kadar etkin bir şekilde kullanılabilmekte, düşük termal iletkenlikleri ve yüksek termal şok dayanımları sayesinde motor ve türbin sistemlerinde kritik bir koruma sağlamaktadır. Zirkonya, oda sıcaklığında monoklinik kristal yapıda bulunmakta; sıcaklığın artmasıyla 1170 °C'de tetragonal faza, 2370 °C'nin üzerinde ise kübik kristal yapıya dönüşmektedir. Bu faz geçişleri sırasında yaşanan %3-5 oranındaki hacim değişimi, kaplama bütünlüğünü bozarak servis ömrünü ciddi şekilde kısaltmaktadır. Bu nedenle, mevcut kaplama sistemlerinin yerine daha üstün termal, mekanik ve kimyasal özelliklere sahip yeni nesil malzemelerin geliştirilmesi, türbin bileşenlerinin ömrünü uzatmakta, bakım periyotlarını azaltmakta ve sistemin genel verimliliğini artırarak yüksek sıcaklık koşullarında daha güvenli çalışma koşulları sunmaktadır. Bu amaç doğrultusunda daha yüksek termal kararlılık, düşük termal iletkenlik ve yüksek termal genleşme gibi özellikleriyle Gd₂Zr₂O₇ (GZO) seramikleri öne çıkmaktadır. Bu seramikler termal bariyer kaplama sistemlerinde YSZ'ye alternatif bir malzeme olarak düşünülmektedir. Gd₂Zr₂O₇ (GZO) esaslı seramiklerin termal bariyer kaplamalarda (TBK) kullanımı, sahip oldukları avantajlı özellikler nedeniyle giderek yaygınlaşmaktadır. Ancak sınırlı kırılma tokluğu, nadir toprak elementlerine olan bağımlılık ve yüksek üretim maliyetleri gibi etkenler, bu malzemelerin sürdürülebilirliği açısından bazı zorluklar doğurmaktadır. Bu çalışmada, GZO seramikleri Fe, Mo ve Ti gibi nadir toprak elementi olmayan elementlerle ve Yb ile farklı oranlarda katkılanarak 8 adet numune üretilmiş ve bu katkılamanın mekanik ve termo-fiziksel özellikler üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Katkısız GZO seramiği kusurlu florit (F) fazında, katkılı GZO seramikleri ise piroklor (P) fazında oluşmuştur. 900 °C'de katkısız GZO'nun termal iletkenliği 2,21 W.m-1.K-1 olarak ölçülmüşken, katkılı seramiklerde bu değer en düşük 0,89 W.m-1.K-1 seviyesine kadar düşmüştür. 1150 oC sıcaklıkta katkısız GZO'nun termal genleşme katsayısı 11,48 × 10-6.K-1 olarak belirlenmiş, katkılı GZO seramiklerinde ise bu değerler 10,39 × 10-6.K-6 ile 11,88 × 10-6.K-6 arasında değişmiştir. Mekanik özellikler açısından, katkısız GZO'nun sertliği 10,88 GPa olarak ölçülmüş, katkılı seramiklerde bu değer 8,64 GPa ile 10,99 GPa arasında değişmiştir. Elastik modül katkısız GZO için 307 GPa iken, katkılı numunelerde 302 GPa ile 343 GPa arasında ölçülmüştür. Kırılma tokluğu katkısız GZO için 1,36 MPa.m1/2 olarak hesaplanmış, katkılı seramiklerde ise bu değer 0,92 MPa.m1/2 ile 1,64 MPa.m1/2 aralığında bulunmuştur. Bu bulgulara dayanarak, katkılı GZO seramiklerinin TBK uygulamaları için potansiyel taşıdığı sonucuna varılabilir. Ayrıca, bu seramiklerde nadir toprak elementlerine olan bağımlılığın azaltılması, daha sürdürülebilir ve çevre dostu kaplama malzemelerinin geliştirilmesine katkı sağlayabilir.