ویژگی خزشی درجه حرارت بالای پوشش CoNiCrAlY اسپری حرارتی شده با تست خزشی پانچ کوچک

چکیده

پوشش های سد حرارتی ( TBC) از قطعات سوپر آلیاژ در برابر دماهای بسیار بالا در توربین های گازی محافظت می کنند. این پوشش های سد حرارتی، از یک پوشش بالای سرامیکی، یک پوشش اتصال فلزی و یک اکسید رشد یافته با حرارت تشکیل شده اند. رفتار خزشی پوشش اتصال MCrAlY که بسیار حساس به ترکیب و روش رسوب دهی می باشد، تاثیر مشخصی روی عمر پوشش های سد حرارتی دارد. اسپری حرارتی سوخت و اکسیژن با سرعت بالا (HVOF) یک روش رسوب دهی معروف برای پوشش های اتصال MCrAlY است اگرچه خواص خزشی پوشش های MCrAlY تولید شده با HVOF به خوبی جمع آوری نشده است. رفتار خزشی پوشش CoNiCrAlY اسپری حرارتی شده با HVOF به وسیله تست خزشی پانچ کوچک (SPC) تخمین زده شده است. تست بین یک رنج تشی تک محور معادل 80-37 مگاپاسکال در دمای 750 درجه بین دو ریگ(وضعیت) مختلف SPC و بین 49-30 مگاپاسکال در دمای 850 درجه روی یک ریگ تک SPC انجام شده است. سرعت تغییر شکل خزشی حالت پایدار اندازه گیری شدهدر دمای 750 درجه در برابر دو ریگ ثابت بوده است. یک مقایسه با کار قبلی نشان داده است که رفتار خزشی پوشش های CoNiCrAlY تولید شده با HVOF به متغیرهای همراه با اسپری حرارتی HVOF حساس نیست. پوشش CoNiCrAlY در دمای 750 درجه تغییر شکل SPC معمول را نشان داد. در دمای 850 درجه پوشش CoNiCrAlY رفتار خزشی متفاوت قابل توجهی را نشان داد که مربوط به اثر سوپرپلاسیسیته است.

مقدمه

سیستم های پوشش سد حرارتی به طور گسترده در توربین های گازی به منظور حفاظت تیغه های توربین از اکسیداسیون و خوردگی دمای بالا استفاده می شود. افزایش راندمان در توربین ها نیازمند افزایش دما می باشد در نتیجه نیاز به توسعه و گسترش پوشش های سد حرارتی فراهم می شود. TBCها عموما شامل یک پوشش سرامیکی هستند که به آن پوشش بالایی گفته می شود که ایتریای پایدار شده با زیرکونیا می باشد و شامل یک پوشش اتصال که به صورت MCrAlY هستند که M میتواند Ni، Co یا NiCo باشد و یک لایه اکسیدی رشد یافته با حرارت که به آن TGO گفته می شود که عموماً این لایه آلومینا می باشد. پوشش اتصال مقاومت به خوردگی  و اکسیداسیون را از طریق تشکیل TGO فراهم می کند. نگهداری صحیح از پوشش اتصال برای اطمینان از عملکرد صحیح TBC ضروری است. عملکرد خزشی پوشش اتصال دارای اهمیت ویژه ای است و نشان داده شده که مقاومت خزشی پوشش اتصال، عمر سیکل حرارتی TBC را بهبود می بخشد. پوشش اتصال معمولا شامل فاز آلفای Ni(Co) FCC، فاز بتای Ni-Al B2 BCC، فاز منظم شده ی گاماپرایم 〖Ni〗_3 (Al,Ti) و فاز سیگمای Cr-Co می باشد. میکروساختار پوشش اتصال می تواند از طریق انتخاب دقیق ترکیب آلیاژ که در تئوری به کنترل دقیق خواص مکانیکیاجازه می دهد، کنترل شود، اما خواص مکانیکی پوشش اتصال MCrAlY به وسیله روش رسوب دهی تاثیر می پذیرد. رفتار خزشی پوشش های MCrAlY وابسته به ترکیب و کسر حجمی اکسیدهای پراکنده است و این بدین معنی است که داده های ثابت کمی برای تک آلیاژ MCrAlY وجود دارد. بنابراین جهت ایجاد درک بسیار وسیع از خواص مکانیکی پوشش MCrAlY به ویژه عملکرد خزشی این پوشش، به دست آوردن داده های ثابت برای پوشش های MCrAlY تولید شده به وسیله روش رسوب دهی HVOF ضروری است. اسپری حرارتی HVOF روشی کم هزینه است و به طور گسترده به عنوان روش رسوب دهی برای پوشش های MCrAlY استفاده می شود. اخیرا، SPC توسط CHEN انجام شده که یک روش موثر برای تخمین خواص خزشی پوشش های MCrAlY در 750 درجه است. اهداف کار حاضر، گسترش کار انجام شده به وسیله CHEN و همکاران است به وسیله بررسی خواص خزشی پوشش CoNiCrAlY HVOF در دمای 750 و 850 درجه. تجهیزات ریگ ساخته شده در برای تست SPC در دمای 850 درجه طراحی شده و با ریگ استفاده شده به وسیله CHEN و همکاران مقایسه شده است که نشان می دهد اطلاعات خزشی ثابتی را برای آلیاژهای CoNiCrAlY HVOF در 750 درجه فراهم می کند. یک مقایسه انجام شده بین کار حاضر وکار CHEN و همکاران برای تخمین این است که آیا متغیرهای همراه با فرآیند اسپری حرارتی HVOF تاثیر مشخصی روی عملکرد خزشی پوشش های CoNiCrAlY HVOF دارند.

Abstract

Thermal barrier coatings (TBC’s) protect superalloy components from excessively high temperatures in gas turbines. TBC’s comprise of a ceramic top coat, a metallic bond coat and a thermally grown oxide (TGO). The creep behaviour of the MCrAlY bond coat, which is sensitive to the composition and the method of deposition, has a significant effect on the life of the TBC. High velocity oxy-fuel (HVOF) thermal spraying is a popular deposition method for MCrAlY bond coats however the creep properties of HVOF MCrAlY coatings are not well documented. The creep behaviour of a HVOF thermally sprayed CoNiCrAlY coating has been determined by small punch creep (SPC) testing. Tests were conducted between an equivalent uniaxial stress range of 37-80 MPa at 750 °C on two different SPC rigs and between 30-49 MPa at 850 °C on a single SPC rig. The measured steady-state creep deformation rates at 750 °C were consistent across the two rigs. A comparison with previous work demonstrated that the creep behaviour of HVOF CoNiCrAlY coatings is not sensitive to the manufacturing variability associated with HVOF thermal spraying. The CoNiCrAlY coating exhibited typical SPC deformation at 750 °C. At 850 °C the CoNiCrAlY coating showed significantly different creep behaviour which could be attributed to the onset of superplasticity.

1. Introduction

Thermal barrier coating (TBC’s) systems are widely used in gas turbines to protect turbine blades from oxidation and high temperature corrosion. The need to continuously increase the turbine inlet temperature in order to improve efficiency requires the continuous development of such coating systems. TBC’s typically consist of a Y2O3 stabilised ZrO2 ceramic top coat, an MCrAlY bond coat, where M = Ni, Co or NiCo and a thermally grown oxide (TGO). The MCrAlY bond coat provides oxidation and corrosion resistance through the TGO which is typically an alumina scale [1-4]. Maintaining the integrity of the bond coat is crucial to ensuring the TBC operates reliably. Of particular importance is the creep performance of the MCrAlY bond coat [2] and it has been shown that creep resistant bond coats improve TBC thermal cycle life [5]. MCrAlY bond coats typically consist of fcc Ni(Co)-γ-phase, bcc B2 NiAl-β-phase, ordered Ni3(Al,Ti) γ’ phase and CrCo σ phase [3,6-12]. The microstructure of MCrAlY bond coats can be controlled through careful selection of the alloy composition which allows, in theory, careful control of the mechanical properties, however the mechanical properties of MCrAlY bond coats are also affected by the method of deposition [13]. The creep behaviour of MCrAlY coatings is also dependent upon the composition [14] and the volume fractions of oxide dispersions [15] which means there is little consistent data for any single MCrAlY alloy. Therefore, in order to develop a more comprehensive understanding of the mechanical properties of MCrAlY coatings, in particular the creep performance of MCrAlY coatings, it is necessary to obtain consistent data for MCrAlY coatings manufactured by a single deposition method. High velocity oxy-fuel thermal spraying (HVOF) is a low cost and a widely used deposition method for MCrAlY coatings [13,16-17]. Recently, small punch creep (SPC) testing has been validated as an effective method for determining the creep properties of HVOF MCrAlY coatings at 750 °C by Chen et al. [6]. The current work aims to develop the work done by Chen et al. by investigating the creep properties of a HVOF CoNiCrAlY coating at 750 and 850 °C. A custom built rig was designed for SPC testing at 850 °C and is compared to the rig used by Chen et al. [6], which has been shown to provide consistent creep data for HVOF CoNiCrAlY alloys at 750 °C. A comparison is drawn between the current work and Chen et al. to determine whether the variability associated with HVOF thermal spraying has a significant effect on the creep performance of HVOF CoNiCrAlY coatings.

چکیده

مقدمه

روش های آزمایشگاهی

مواد، اسپری حرارتی HVOF و عملیات حرارتی

مشخصات میکروساختاری

تست کششی پانچ کوچک

محاسبه تنش،کرنش و خواص مکانیکی

بار به تنش تک محور تبدیل می شود با استفاده از معادله یک.

خواص مواد

نتایج و بحث

میکروساختار پوشش های عملیات حرارتی شده

تست خزشی پانچ کوچک در 750 درجه

ارزیابی ریگ SPC تازه تهیه شده

تاثیر متغیرات HVOF روی عملکرد خزشی پوشش MCrAlY

Spc در 850 درجه

نتیجه گیری

Abstract

Introduction

Experimental Methods

Materials, HVOF Thermal Spraying and Heat Treatment.

Microstructural Characterisation

Small Punch Tensile Testing

Calculation of Stress, Strain and Mechanical Properties

Stress

Strain

Material Properties

Results and Discussion

Microstructure of Heat Treated Coatings

Small Punch Creep Testing at 750 °C.

Small Punch Creep Testing at 850 °C

Conclusions