496832-2406440

شکل 2- ریز ساختار پوشش مرتبهاي ایجاد شده، الف) تصویر میکروسکوپ نوري و ب) تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی

نتایج ریزسختی اندازه گیري شده براي لایههاي گوناگون پوشش در جدول 3 آورده شده است. گفتنی است که مقدار سختی در لایه NiCrAlYبا توجه به محل قرار گیري این دنتور در پوشش و وضعیت تخلخلهاي موجود در محل ازHV239 تا HV398متفاوت بود. سختی در لایههاي مرتبهاي نیز به صورت تدریجی با افزایش مقدارYSZ ازHV400 بهHV620 افزایش مییابد. کاهش تدریجی در مقدار سختی و مدول الاستیک، افزایش استحکام چسبندگی و بهبود عملکرد پوشش در شرایط بارگذاري را به همراه دارد
.[6]

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

شکل3- الف) تصویر میکروسکوپ الکترونی از لایه مرتبهاي و آنالیز نقطهاي عناصر در بخشهاي گوناگون آن ب) نقطه A، ج) نقطه B، د)نقطه C و ه) نقطه D

شکل 4- نقشه توزیع عنصر اکسیژن در جهت ضخامت پوشش.

شکل 5- تصاویر میکروسکوپ الکترونی از نواحی کامپوزیتی اکسید زیرکونیا- زیرکونیا در لایه مرتبهاي پوشش که با علامت پیکان روي تصاویر مشخص گردیده ، الف) تصویر با بزرگنمایی کمتر که وسعت این نواحی را نشان میدهد و ب) تصویر با بزرگ- نمایی بیشتر.

جدول3- نتایج ریزسختی در لایههاي گوناگون
لایه (HV)سختی
NiCrAlY 305
NiCrAlY+ YSZ 400 -620
YSZ 596

تاثیر شار حرارتی وضعیت ظاهري
تصاویر ماکروسکوپی نمونه پوشش داده شده و فاقد پوشش پس از 20 ثانیه قرار گیري در معرض شار حرارتی2MW/m8 در شکل 6 مشاهده میگردد. همان گونه که در شکل 6-الف دیده میشود، در وضعیت ظاهري نمونه پوشش داده شده پس از تست هیچ تغییري رخ نداد و نتایج بازرسی چشمی عدم حضور ترك، حفره، تاول زدگی و یا هرگونه کندگی پوشش را نشان داد. همچنین، مقدار بیشینه دمایی در سطح پوشش Ċ1460 اندازه گیري شد. در نمونه بدون پوشش ذوب شدن سطح زمینه فولادي و حتی پاشش مذاب در حین تست رخ داد که ناحیه ذوب شده به روشنی در شکل 6- ب دیده میشود. با مقایسه

1444752-1958083

شکل 6- تصاویر ماکروسکوپی از وضعیت نمونهها پس از قرارگیري در معرض شار حرارتی(محل شاردهی با کادر مشخص شده است)، الف) نمونه پوشش داده شده و ب) نمونه بدون پوشش

وضعیت ظاهري نمونه پوشش داده شده و نمونه بدونپوشش پس از شاردهی به روشنی مزیت پوشش سد حرارتی در کاهش دماي موثر سطح قطعه و حافظت از آن آشکار است. بیشینه دمایی ثبت شده و وضعیت ماکروسکوپی نمونه پوشش داده شده پس از پایان آزمون نشان داد که پوشش عملکرد موفقی در حفظ دقت ابعادي نازل دارد. این پایداري و عملکرد ایدهال پوشش را میتوان به خواص مناسب YSZ که شامل نقطه ذوب بالا، هدایت حرارتی کم و ضریب انبساط حرارتی نسبتا زیاد، همچنین، مناسب بودن ایده استفاده از پوششهاي مرتبهاي با توجه به شرایط کاري قطعه مرتبط دانست.

ریزساختار و زینتر شدن پوشش
مقدار میانگین اندازه گیري شده براي سختی در لایه YSZ و لایه NiCrAlY به ترتیب برابر HV1163و HV390 است که بیانگر افزایش در مقدار سختی پس از شاردهی است، به گونه ايکه، مقدار سختی در لایه YSZ حدود دو برابر شده و در لایهNiCrAlY نیز نه تنها مقدار سختی حدود %30 افزایش یافته بلکه تفاوت در مقدار کمینه و بیشینه سختی از HV159 در حالت پیش از شاردهی به HV100 کاهش یافته است (مقایسه با جدول 3).
شکل 7 تصاویر میکروسکوپ الکترونی از لایه زیرکونیـاپیش و پس از شاردهی را نشان میدهد. پیش از شـاردهی (شکل 7-الف)، زیرکونیـاي پلاسـما اسـپري شـده از قفـلمکانیکی اسـپلت هـاي ذوب شـده تـشکیل یافتـه و دارايمقدار زیادي تخلخل و میکروترك است. همچنین مقـداريذرات ذوب نشدهYSZ که در بین تیغههـا گیـر افتـاده و پیرامون آن ها با تخلخل احاطه شده نیـز مـشاهده گردیـد.
تصاویر پس از شاردهی (شکل 7-ب)، کاهش مرزهاي بینذرات گسترده شده (در برخـی نـواحی هـیچ مـرزي قابـلت شخیص نی ست) و روي ه م رفت ه، ت شکیل س اختاري یکنواختتر با مرزهاي کمتر را نـشان داد. افـزون بـر ایـن،مقدار تخلخل هـاي ریـز کـاهش یافتـه و گوشـههـاي تیـزتخلخلها نیز تا حدودي گردتـر شـده اسـت. رشـد ناحیـهاتصال بین ذرات و تیغهها و بهبود اتصال بین آنهـا پـس ازشاردهی نسبت به پیش از شـاردهی در شـکلهـاي 7-ج و7-د دیده میشود.از نظر ترمودینامیکی بـراي رسـیدن بـهانرژي کمینه پس از زینتر شدن بایـستی تغییراتـی ماننـدگرد شدن یا از بین رفتن تخلخلها، تغییر ریخت شناسـیحفرهاي بزرگ به سمت حفرههاي کروي شکل و کاهش ولغـزش ن سبی مـرز ب ین تیغـه ه ا و… رخ دهـد [2]. پ س میتوان تغییرات مشاهده شده در ریزساختار نمونه پوششداده شده را به زینتر شدن لایهYSZ در زمان قرار گیريدر معرض شار حرارتی ارتباط داد. این نتیجه گیري با نتایج
ریزســختی بدســت آمــده کــاملا مطابقــت دارد. چــولز وهمکـارانش [10,11]زینتـر شـدن لایـهYSZ در مـدت 4 ثانیه شاردهیپوشش (دماي بیـشینه انـدازه گیـري شـده درسطح حدودĊ 1500) را گزارش کردند. همچنین، افـزایشمقدار سختی به بـیش ازHV 1200 پـس از زینتـر شـدنکامل زیرکونیـاي پایـدار شـده جزیـی(دمـاي نزدیـک بـهĊ1400) به وسیله شین و همکارانش [16] گـزارش شـدهاست.

شکل 7- تصاویر میکروسکوپ الکترونی از لایه YSZ پیش و پس از شاردهی، الف و ج)پیش از شاردهی و ب و د) پس از شاردهی.

یکدیگر و مهمتر از آن با فلز پایه وجود دارد. روي همرفته، ترك میتواند عمود بر سطح پوشش (ترك سطحی) و یا در فصل مشترك بین لایهها و موازي با سطح (ترك فصل مشترك یا عرضی) ایجاد شود و میتواند در سیکل ترك خوردگی و انهدام پوشش بالایی
مطالعه مقطع عرضی نمونه پوشش داده شده پس از شاردهی (شکل8) نشان داد، گرچه کاهش ضخامت یا کندگی کامل پوشش بالاییYSZ رخ داده، اما همچنان
621800452884

چسبندگی کاملی بین لایههاي گوناگون پوشش با گرم شدن یا سرد شدن متعاقب نمونه ایجاد گردد.

شکل 8- تصاویر میکروسکوپ نوري و الکترونی نمونه پوشش داده شده پس از شاردهی.

انبساط پوشش با افزایش دما در حالی که به وسیله زمینه نسبتا سردي محدود شده است (در سیکل گرم)، سبب ایجاد تنش فشاري (کمتر از MPa 100) شده که با توجه به مقدار استحکام فشاري نهاییYSZ پلاسما اسپري شده (MPa53 ± 454) احتمال ایجاد ترك بسیار کم است[10,11]، اما آنالیز المان محدود نشان میدهد که در زمان گرم شدن پوشش به دلیل ناهموار بودن فصل مشتركها (مرزهاي موجدار)، امکان ایجاد تنشهاي کششی نسبتا بزرگی در راستاي تركهاي عرضی موجود در پوشش وجود دارد. مقدار این تنشهاي کششی میتواند از تنش شکست بحرانی تجاوزکرده و منجر به ترك خوردگی پوشش در حین سیکل گرم شدن گردد [17, 7]. در سیکل سرد شدن متعاقب نمونه در هوا ،وضعیت تنش به حالت کششی تغییر یافته و مقدار آن به
بیش از MPa150 میرسد. این مقدار تنش کششی با توجه به استحکام خمش چهار نقطهاي YSZ که برابر 56MPa است، باعث ایجاد تركهاي سطحی یا عرضی میشود[11,10]. محل ایجاد ترك به مقدار تنش کششی ،استحکام ماده و مقدار و اندازه عیوب بستگی دارد. روي هم رفته، تمام خواص پوششهاي اسپري شده به استحکام و اتصال بین اسپلتها که خود تابعی از فرایند پاشش است، بستگی دارد. مناطق پرحفره، ریزتركها، فصل مشتركهاي بدون اتصال مناسب و عیوب و زبريهاي سطحی در فصل مشترك یا سطح پوشش مکان مناسبی براي اشاعه ترجیحی ترك در پوشش است. مطالعات [19,18]نشان داده است ،شمار زیادي فاصله بین لایهاي که میتوانند به عنوان ریزتركهاي عرضی در نظر گرفته شوند، درکنار ریزتركهاي سطحی در ذرات گسترده شده سرامیکی وجود دارد، همچنین، ریزساختار پوشش هاي سرامیکی پلاسما اسپري شده از چینش لایه لایه تیغههایی که اتصال بین آنها بسیار محدود است، تشکیل شده است. لی و همکارانش[20,19] با استفاده از مدلسازي ریزساختار پوشش هاي پاشش حرارتی شده و تقسیم فصل مشترك بین لایهها به دو حالت پیوسته و ناپیوسته نشان دادند که پوشش YSZ پلاسما اسپري شده داراي نسبت میانگین چسبندگی بین لایهاي %32 است. شکل9 تركهاي عرضی و سطحی، بههم پیوستن آنها و کاهش ضخامت یا کنده شدن پوشش پس از شاردهی را نشان میدهد. زیانگ و همکارانش[21] عملکرد پوششهاي سد حرارتی مرتبهاي را در شار حرارتی2MW/m6/0 بررسی کردند و مشاهده کردند که در نخستین سیکل حرارتی دهی و در حین گرم شدن

1505712-2909060

شکل 9- تصاویر میکروسکوپ الکترونی از وضعیت پوشش پس از شاردهی

نمونه، تعدادي ترك عرضی در لایه YSZ ایجاد شد و درسیکل سرد شدن متعاقب نیز تركهاي سطحی ایجاد گردید. در سیکل دوم، ترك عرضی رشد و ترك هاي سطحی کوچکی نیز ایجاد شد و در ادامه با افزایش تعداد سیکلهاي اعمال شده تركهاي عرضی و سطحی به یکدیگر پیوستند و کندگی پوشش از لایه بالایی رخ داد.
با توجه به این که در این پژوهش از شار حرارتی 2MW/m8 استفاده شد، میتوان گفت شرایط تحمیل شده به پوشش به حدي شدید بوده که ایجاد و اشاعه تحریک شده تركها و کندگی لایه بالایی در یک سیکل گرم و سرد شدن رخ میدهد. شایان توجه است که شدیدترین آسیب به پوشش (کندگی کامل لایه YSZ) بیشینه باعث تغییر دقت ابعادي نازل به اندازه µm90 (ضخامت لایه YSZ) شده است.

وضعیت زیرلایه فولادي
مطلب دیگري که مطالعه آن اهمیت زیادي دارد وضعیت فلز زیرلایه پس از قرار گرفتن سطح پوشش در معرض شار حرارتی است. آگاهی یافتن از مقدار دماي تحمیل شده به زمینه در حین شاردهی از دو لحاظ داراي اهمیت است ،نخست ارزیابی عملکرد عایق سازي پوشش و مقدار محافظت از زیرلایه و دیگري اثر آن بر عملکرد پوشش است. افزایش دماي زمینه (کاهش شیب حرارتی در عرض پوشش) منجر به کاهش تنشهاي حرارتی و پایداري بیشتر پوشش میشود.
چولز[22] دماي بیشینه زیر لایه را زمانیکه سطح پوشش در معرض شار حرارتی2MW/m2/6 به مدت 4
ثانیه قرار داشت،Ċ 200 اندازه گیري کرد. در این شرایط ،مقدار بیشینه دما در سطح پوشش Ċ1700 بود. زیانگ و همکارانش[21] دماي فلز پایه براي پوششی که به مدت 160 ثانیه در معرض شارMW/m82/0-71/0 قرار گرفته بود را حدود Ċ1200 اندازه گیري کردند. گفتنی است که این شار حرارتی در مدت 40 ثانیه باعث رسیدن دماي سطح پوشش به Ċ1700شد و در 120 ثانیه باقی مانده سطح پوشش در معرض این دماي ثابت قرار داشته است. نظر به این که در این پژوهش اندازه گیري دماي فلز پایه در حین شاردهی در اولویت قرار نداشت، اما با توجه به این فرضیه که” اگر زیرلایه در حین شاردهی در معرض درجه حرارتهاي بالا قرار گیرد، ریز ساختار آن دچار تغییر میشود” میتوان تا حدي درباره شرایط تحمیل شده به زمینه در حین شاردهی اظهار نظر کرد. از اینرو ،ریزساختار زمینه فولادي نمونه پوشش داده شده پس از

478536-2037331

شکل10- تصویر میکروسکوپ نوري از ریز ساختار زمینه فولادي نمونه پوشش داده شده پس از شاردهی الف ) تـصویر بـا بزرگنمایی کم و ب) تصویر با بزرگنمایی بیشتر از فلز زیرلایه درست در زیر پوشش.

شاردهی حکاکی شد و به وسیله میکروسکوپ نوري موردبررسی قرار گرفت. شکل 10 نشان دهنده ساختار فریتی- پرلیتی زمینه فولادي است. با توجه به این که پیش از پوششدهی سطح فلز زیرلایه ماسه پاشی شده بود، انتظار میرفت که اندازه دانههاي بخشی که تحت تاثیر این کار پلاستیک قرار دارد از دیگر بخشها کوچکتر باشد که این لایه با ضخامت µm180 و اندازه دانههاي کوچکتر به خوبی در شکل 10- ب دیده میشود. مشاهده نشدن تغییرات متاثر از حرارت در ریز ساختار نشان داد که زیرلایه نمونه پوشش داده شده حین شاردهی بر خلاف نمونه بدون پوشش مورد سیکل حرارتی پیچیده با دماي بالا قرار نگرفته است.

نتیجه گیري
1- قرار گیري نمونه بدون پوشش در معرض شار حرارتی بالاییYSZ رخ داد که باعث تغییر دقت ابعادي به اندازه µm90 شد.
کوچک و کم شدن تعداد تخلخلها، افزایش در مقدار سختی پوشش و زینتر شدن لایه YSZپس از قرارگیري پوشش در معرض شار حرارتی مشاهده شد.
پس از 20 ثانیه قرارگیري سطح پوشش در معرض شار حرارتی، در وضعیت ریزساختار زیرلایه فولادي هیچ تغییري مشاهده نشد.

سپاسگزاري
نویسندگان از پژوهشگاه مواد و انرژي و دانشگاههاي صنعتی امیرکبیر و تربیت مدرس به دلیل در اختیار قرار گذاشتن تجهیزات کمالسپاسگزاري را مینمایند.

K.Kokini, J. DeJonge, S. Rangaraj, B.
Beardsley, “Thermal Shock of Functionally Graded Thermal Barrier Coatings with Similar Thermal Resistance”. Surface and Coatings
Technology, Vol. 154, pp. 223-231, .2002
Raj, S.V., L. J. Ghosn, C. Robinson, D. Humphrey, “High Heat Flux Exposures of Coated GRCop-84 Substrates”. Materials Science and Engineering: A, Vol. 457: pp. 300-312, 2007.
B.D. Choules, K. Kokini, T.A. Taylor, “Thermal Fracture of Thermal Barrier Coatings in a High Heat Flux Environment”. Surface and Coatings Technology, Vol. 106, pp. 23-29, 1998.
B.D.Choules, K. Kokini,T.A. Taylor, “Thermal Fracture of Ceramic Thermal Barrier Coatings Under High Heat Flux with Time-Dependent Behavior. Part 1. Experimental results”, Materials Science and Engineering A, Vol. 299, pp. 296-304, 2001. وکیلـ ی فـ رد, ح,” بررسـ ی و بهینـ ه سـ ازي -12 پارامترهاي موثر بر خواص پوشش¬هاي سد حراتـیبر روي سوپرآلیاژ پایـه نیکـل بـهYSZ-MCrAlY کمک روش طراحی آزمایش هـا”، کارشناسـی ارشـد .1390، پژوهشکده مواد و انرژي، تهران
D.R. Gaskell, Introduction to the Thermodynamics of Materials, 4th ed., New York, 2003.
K.A. Khor, Z.L. Dong, Y.W. Gu,”Infuence of Oxide Mixtures on Mechanical Properties of Plasmasprayed Functionally Graded Coating”. Thin Solid Films, Vol. 368, pp. 86-92, .0002
K.A. Khor, Y.W. Gu, Z.L. Dong, “Mechanical behavior of plasma sprayed Functionally Graded YSZ-NiCoCrAlY Composite Coatings”. Surface and Coatings Technology, Vol. 139, pp. 200206, .1002

Refrences
ز. گلــستان، م. جاویــدي، م. ح.شــریعت و ر. بازرگــان لاري، پوشش دهی کامپوزیتی هیدروکسی آپاتیت-تیتانیـا همزمان با نیتروکربوره کـردن الکترولیتـی پلاسـمایی روي سطح فولاد ضد زنـگ و بررسـی رفتـارخوردگی آن، مجلـهمواد نوین/ جلد3/ شماره 4/ تابستان 1392.
N. Markocsan, P. Nylen, J. Wigren, X.H.Li, A. Tricoire,, “Effect of Thermal Aging on Microstructure and Functional Properties of Zirconia-Base Thermal Barrier Coatings”, Journal of Thermal Spray Technology, Vol. 18, pp. 201–208, 2009.
P. F. Zhao, C.A. Sun, X.Y. Zhu, F.L. Shang, C.J. Li, “Fracture Toughness M of Plasma-Sprayed Thermal Barrier Coatings Using a Modified Four-Point Bending method”, Surface & Coatings Technology, Vol. 204, pp. 4066-4074, 2010.
U. Schulz, M. Peters, Fr.-W. Bach, G. Tegeder,”Graded Coatings for Thermal, Wear and Corrosion Barriers”, Materials Science and Engineering A, Vol. 362, pp. 61-80, 2003.
M. Khoddami, A.Sabour,
S.M.M.Hadavi,”Microstructure Formation in thermally-Sprayed Duplex and Functionally Graded NiCrAlY/YttriaStabilized Zirconia Coatings”, Surface & Coatings Technology, Vol. 201, pp. 60196024, 2007.
B.Saeedi, A.Sabour, A.
M.Khoddami,”Study of microstructure and thermal shock Behavior of Two Types of Thermal Barrier Coatings”, Materials and Corrosion Vol. 60, pp. 695-703, 2009.
A. Kawasaki, R.Watanabe, “Thermal Fracture Behavior of Metal/Ceramic Functionally graded materials”. Engineering Fracture Mechanics, Vol. 69, pp. 1713-1728, 2002.
C.J. Li, , W.Z. Wang, Y. He, “Dependency of Fracture Toughness of Plasma Sprayed Al2O3 Coatings on Lamellar Structure”. Journal of Thermal Spray Technology, Vol. 13, pp. 425-431, 2004.
H. Xiong, A.Kawasaki, Y. Kang, R.Watanabe, “Experimental Study on Heat Insulation Performance of Functionally Graded Metal/Ceramic Coatings and Their Fracture Behavior at High Surface Temperatures”. Surface and Coatings Technology, Vol. 194, pp. 203-214, 2005.
B.D. Choules, “Thermal Fracture of Ceramic Coating Under High Heat Flux with Time-Dependence Behavior”, ph. D. Thesis Purdue University, West Lafayette, 1998.

J. Shin, S.K. Hur, C.G. Ha, Y.G. Jung, U. Paik, “Mechanical characterization in PSZ/NiCrAlY Composites Fabricated by Plasma Activated Sintering”. Journal of Alloys and Compounds, Vol. 313, pp. 248257, 2000.
K. Kokini, Y. R. Takeuchi, B. D. Choules, “Surface Thermal Cracking of Thermal Barrier Coatings Owing to Stress Rrelaxation: Zirconia Vs. Mullite”. Surface and Coatings Technology, Vol. 82, pp. 7782, 1996.
A. Ohmori, C-J. Li,”Quantitative Characterization of the Structure of Plasma-Sprayed Al2O3 Coating by Using Copper Electroplating”. Thin Solid Films, Vol. 201, pp. 241-252, 1991.


دیدگاهتان را بنویسید