Termal bariyer kaplamalı gaz türbin kanatlarının dinamik şartlarda sıcaklık dağılımının incelenmesi

Gaz türbini motorları, modern teknolojinin temel taşlarından biridir. Havacılık sektöründe ana güç kaynağı olarak kullanılırlar ve küresel enerji üretiminde kritik bir rol oynarlar. Çalışma prensibinin temelinde, basınçlı hava-yakıt karışımının yanması yatmaktadır. Bu yanma, yüksek enerjili egzoz gazları üretir. Pistonlu motorlardan farklı olarak, gaz türbinleri bu gazları, türbin olarak bilinen bir dizi fan kanadını olağanüstü yüksek hızlarda döndürmek için kullanır. Gelişmiş gaz türbini tasarımlarında daha yüksek termodinamik verimlilik ve daha yüksek güç çıkışı arayışı, türbin giriş sıcaklıklarının kaçınılmaz olarak artmasına neden olmuştur. Günümüz motorları, egzoz gazı sıcaklıkları rutin olarak 1500 °C'yi aşan koşullarda çalışmaktadır. Bu aşırı termal koşullar, genellikle nikel bazlı süper alaşımlardan imal edilen türbin kanatlarına ciddi termomekanik gerilimler uygular. Bu alaşımlar, yüksek sıcaklıklarda yüksek mukavemetli performans için tasarlanmış olsa da, sünme, yorulma ve oksidasyona karşı hassastır ve bu da kanatların felaketle sonuçlanabilecek arızalarına yol açabilir. Bu riskleri azaltmak ve metal alaşımların erime noktasının ötesindeki sıcaklıklarda çalışmayı mümkün kılmak için Termal Bariyer Kaplamalar (TBK) yaygın olarak kullanılmaktadır. TBK'lar, yapışma ve oksidasyon direnci için metalik bir bağ katmanı ve düşük termal iletkenliği, yüksek sıcaklık kararlılığı ve aşınma direnci ile tanınan seramik bir üst katmandan (genellikle itriyum stabilize zirkonya (YSZ)) oluşan gelişmiş çok katmanlı malzeme sistemleridir. Bu seramik katman, termal yalıtkan görevi görerek altta yatan metalik alt tabakanın maruz kaldığı sıcaklığı önemli ölçüde düşürür. Bu kaplamaların dayanıklılığı ve ömrü son derece önemlidir. Geleneksel olarak, TBK'ların ömür değerlendirmesi, fırın döngüsü gibi statik laboratuvar koşullarında termal şok testleri ile yapılmaktadır. Ancak, bu tür testler, çalışan bir motordaki türbin kanatlarının maruz kaldığı karmaşık, çok yönlü stres durumunu tam olarak yansıtamamaktadır. Bu çalışma, gaz türbininin dönme ortamını simüle eden dinamik koşullar altında TBK'ların dayanıklılığını, ömrünü ve yüzey sıcaklık dağılımını deneysel olarak inceleyerek bu kritik boşluğu ele almaktadır. Çalışma ortamının daha gerçekçi bir simülasyonunu elde etmek için, bu araştırma için özel olarak tasarlanmış ve üretilmiş bir dinamik test cihazı geliştirilmiştir. Bu cihaz, TBK kaplı numunelerin yüksek sıcaklıkta gaz akımı içinde yüksek hızlarda dönmesini kolaylaştırarak, statik testlerde bulunmayan merkezkaç kuvvetleri ve radyal gaz akışları oluşturmuştur. Türbin kanadı malzemelerini temsil eden alt tabakalar, farklı kalınlıklarda TBK'larla kaplanmıştır. Temel amaç, bu dinamik termomekanik yükler altında kaplama kalınlığının performans ve ömür üzerindeki etkisini sistematik olarak değerlendirmekti. Her numunenin dayanıklılık ömrü, kaplama arızasına kadar dönme sırasında döngüsel ısıtma ve soğutmaya tabi tutulmasıyla belirlendi; kaplama arızası genellikle önceden belirlenmiş bir parçalanma veya delaminasyon seviyesi ile tanımlandı. Bu dinamik deneylerden elde edilen veriler, dinamik ortamın etkisini nicelendirmek için literatürde bildirilen statik testlerden elde edilen verilerle sistematik olarak karşılaştırıldı. Deney sonuçları, statik test tahminlerinden önemli ölçüde sapma gösteren TBK performansına ilişkin birkaç önemli bulgu ortaya koydu. Döndürmenin doğrudan bir sonucu olan kaplama yüzeyi boyunca sıcak gazların radyal akışının, kaplamanın çalışma ömrünü önemli ölçüde azalttığı belirlendi. Bu hızlandırılmış bozulma, artan aşındırıcı aşınma ve aerodinamik yükleme tarafından indüklenen karmaşık gerilme alanlarının, temel termal uyumsuzluk gerilmeleriyle sinerjik olarak etki etmesinin birleşik etkilerine atfedilmektedir. Buna karşılık, çalışma, modern türbin kanatlarında standart bir tasarım özelliği olan iç soğutma kanallarının uygulanmasının TBK'nın ömrü üzerinde kanıtlanabilir bir olumlu etkiye sahip olduğunu doğruladı. Kaplama üzerinde daha dik bir termal gradyan oluşturarak, soğutma kanalları kritik bağ kaplama/üst kaplama arayüzündeki sıcaklığı etkili bir şekilde düşürür. Arayüz sıcaklığındaki bu düşüş, TBK arızasının başlıca nedeni olan termal olarak gelişen oksit (TGO) tabakasının büyümesini yavaşlatarak kaplamanın kullanım ömrünü uzatır. Ayrıca, kaplama kalınlığı ile dayanıklılık arasında açık bir korelasyon olduğu tespit edilmiştir. Sonuçlar, TBK'nın ömrünün kaplama kalınlığının artmasıyla uzadığını göstermiştir. Ancak, bu ilişki sınırsız değildir. Daha kalın bir kaplama üstün ısı yalıtımı sağlarken, aynı zamanda iç gerilimleri ve depolanan gerinim enerjisini de artırarak mekanik arızalara daha yatkın hale getirebilir. Farklı kalınlıklarda sistematik testler yapılarak, yaklaşık 300 µm'lik ideal bir kaplama kalınlığı belirlenmiştir. Bu kalınlık, ısı korumasını en üst düzeye çıkarmak ve mekanik bütünlüğü korumak arasında optimum dengeyi sağlar. Bu bulgu, mevcut literatürde bildirilen optimum kalınlık değerleriyle büyük ölçüde uyumludur ve bu dinamik çalışmada kullanılan deneysel metodolojiyi doğrulamaktadır. Bu araştırma, gaz türbini uygulamalarında Termal Bariyer Kaplamaların doğru ömür tahmininde statik testlerin tek başına yetersiz olduğunu vurgulamaktadır. Dinamik koşulların, özellikle de dönmeyle ilişkili merkezkaç kuvvetleri ve radyal gaz akışlarının, kaplama dayanıklılığını önemli ölçüde azaltan kritik bir faktör olduğu gösterilmiştir. Çalışma, termal bozulmayı azaltmada iç soğutmanın yararlı rolünü doğrulamakta ve yaklaşık 300 µm'lik optimal TBC kalınlığının en sağlam performansı sağladığını ortaya koymaktadır. Bu bulgular, yeni nesil gaz türbinlerinin tasarımı ve kalifikasyonu için önemli sonuçlar doğurmakta ve motor güvenilirliği ve güvenliğini sağlamak için TBK ömür modellerine dinamik etkilerin dahil edilmesinin gerekliliğini vurgulamaktadır.