Termal bariyer kaplamaların yüksek sıcaklıkta katı partikül erozyon aşınma davranışının incelenmesi

Bu tez çalışmasında, günümüzde enerji dönüşüm santralleri, uzay havacılık sistemleri, jet motorları ve gaz türbinleri gibi sistemlerde kullanılan yüksek sıcaklık çalışma koşullarına sahip malzemeler üzerine dayanım artışı ve ısı yalıtımı amacı ile uygulanan Termal Bariyer Kaplamaların (TBK), Yüksek Sıcaklık Katı Partikül Erozyon (YSKPE) aşınma davranışları incelenmiştir. Deneylerde, ortam değişkenliği etkinliğindeki çalışma sıcaklıkları ve farklı aşındırıcı partikül çarpma açıları ile sabit çarpma hızı ve aşındırıcı partikül boyutu kullanılarak erozyon aşınmasına etki eden güncel ve kapsamlı parametreler araştırılmıştır. Erozyon aşınma deneylerinin karşılaştırmalı etkilerini gözlemlemek amacıyla oda sıcaklığında (21°C) ve yüksek sıcaklıklardaki (300°C ve 600°C) erozyon direnci üzerine çalışmalara odaklanılmış olup özellikle yüksek sıcaklık etkisinde erozyon aşınmasının belirlenmesi üzerine bugüne kadar ülkemizde yapılan çalışmalardan farklı bir özgünlüğü ortaya koymuştur. Yüksek sıcaklık şartlarına uyumlu erozyon aşınma deneylerinin yapılabilmesi amacıyla kompresör girişindeki havanın ısıtılıp basınçlandırılması sonrasında aşındırıcı partikül ile birleştirilerek deney numune yüzeyine çarptırıldığı ve ülkemizde bugüne kadar uygulaması bulunmayan ASTM G211 uluslararası kabul görmüş standart test metoduna uygun olarak özel tasarlanmış YSKPE test cihazında aşınma deneyleri gerçekleştirilmiştir. Bu deneylerin yapımı esnasında ihtiyaç duyulan ve erozyon aşınmasını ölçmede temel bileşen olan aşındırıcı partikül çarpma hızı, literatürde var olan ve deneysel olarak belirlenen çift disk metoduna uyumlu olacak şekilde yeni bir partikül çarpma hız ölçme düzeneği ortaya konularak ~97 m/s değerinde aşındırıcı partikül çarpma hızı belirlenmiştir. Deneylerde yüksek dayanıma sahip süper alaşım Inconel 718 altlık malzemesi seçilmiş olup bu malzeme yüzeyine Atmosferik Plazma Sprey (APS) yöntemi uygulanarak elde edilen iki farklı bağ kaplaması (NiCrAlY ve NiCoCrAlY) ile bu iki bağ kaplaması üzerine ayrı ayrı uygulanan ZrO2–8Y2O3 (8YSZ) özelliğe sahip seramik üst kaplamalar sonucunda dört farklı deney numunesi ürettirilmiştir. Elde edilen deney numune gruplarının mekanik özelliklerini belirlemek amacıyla sertlik, yüzey pürüzlülüğü ve gözeneklilik ölçümleri yapılmıştır. Ölçülen değerlerin ortalaması ve standart sapması alınarak deney numune gruplarının istatiksel olarak anlamlı bir fark oluşturup oluşturmadığını belirlemek amacıyla t testi kıyaslamaları gerçekleştirilmiştir. Bu numuneler daha sonra üç farklı çarpma açısı (30° ,60° ve 90°), üç farklı sıcaklık değeri (21°C, 300°C ve 600°C) ile 400 µm Alümina (Al2O3) aşındırıcı partikül etkisinde ve ~97 m/s sabit çarpma hızında YSKPE deneylerine tabi tutulmuştur. Deneysel sonuçlara bağlı olarak sıcaklık, çarpma açısı, aşındırıcı boyutu ve çarpma hızı etkisindeki erozyon oranı grafikleri oluşturularak deney numunelerine ait yüzey deformasyonlarının SEM görüntüleri alınmış ve yüzey deformasyonları yorumlanmıştır. Ayrıca APS yöntemi ile kaplama işlemi uygulanan deney numunelerinin EDX ve EDX haritalama ile yüzeylerinden görüntü alınarak numunelerdeki elemental homojenlik durumları ispatlanmıştır. Yapılan deneyler sonucunda, sadece bağ kaplanmış numunelerin erozyon aşınmasıyla uyumlu sünek malzeme davranışı gösterdiği ve en fazla erozyon aşınmasını 30° aşındırıcı partikül çarpma açısında gerçekleştirdiği belirlenirken seramik üst kaplama uygulanmış numuneler ise erozyon aşınmasıyla uyumlu gevrek malzeme davranışı göstererek en fazla erozyon aşınmasının 90° aşındırıcı partikül çarpma açısında gerçekleştiği belirlenmiştir. Bu durum göstermiştir ki çarpma açısındaki farklılığa bağlı olarak numunelerdeki erozyon oranı kıyaslamaları yapıldığında termal bariyer etkinliğinin sonucunda 600°C sıcaklıktaki deneylerde erozyon aşınmasına direnç artış eğiliminde olmuştur. Bağ kaplanmış numunelerde yapıya dahil edilen Kobalt (Co) etkisi erozyon direncini artırmada olumlu yönde katkı sağlarken, seramik üst kaplamalarda ise deney numune yapısındaki artan gözeneklilik ile erozyon oranı değerlerinde artış olduğu sonucuna varılmıştır.