Microstructure and thermal properties of Sm2Zr2O7 + 8YSZ composite TBC systems

• Autorzy: Moskal G.

Identyfikatory

DOI

10.15199/28.2018.2.5

Warianty tytułu

PL

Mikrostruktura i właściwości cieplne kompozytowych powłok TBC typu Sm2Zr2O7 + 8YSZ

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The article present results of microstructural investigation of so called composite type of thermal barrier coating of Sm2Zr2O7 + 8YSZ type deposited by air plasma spraying process with powders mass ratio 50/50, 25/75 and 75/25, respectively. For comparison standard 8YSZ coating was deposited as well. The internal structure quality assessment and surface topography characterization of obtained TBC`s were carried out. The ceramic layers were analysed for phase composition and residual stress. The coatings’ thickness was measured and vertical porosity was quantitatively and qualitatively characterized. Also the crystallite size of both samarium zirconate and yttria stabilized zirconia was evaluated. The obtained results were used for adjusted value of thermal conductivity calculation on the basis of results obtained from thermal diffusivity measurements at temperature between 20 and 1100°C.

PL

Celem prowadzonych badań jest charakterystyka podstawowych parametrów mikrostrukturalnych powłokowych barier cieplnych typu Sm2Zr2O7 + 8YSZ, klasyfikowanych w literaturze fachowej jako powłoki kompozytowe. Zakres badań obejmował analizę mikrostruktury powłok trzech typów różniących się proporcją udziału poszczególnych składników fazowych i oznaczonych odpowiednio 25% 8YSZ + 75% Sm2Zr2O7, 50% 8YSZ + 50% Sm2Zr2O7 i 75% 8YSZ + 25% Sm2Zr2O7. Wszystkie warianty otrzymano metodą natrysku plazmowego w powietrzu na stopie In625 z międzywarstwą typu NiCrAlY o grubości ok. 125 μm. Grubość warstw ceramicznych w omawianych trzech przypadkach wynosiła ok. 300 μm. Zakres badań obejmował oględziny wizualne oraz profilometryczną charakterystykę ilościową i jakościową powierzchni zewnętrznej powłok TBC po procesie natryskiwania plazmowego. Dokonano również oceny topograficznej powierzchni z użyciem technik skaningowej mikroskopii elektronowej. W drugim obszarze badań przeprowadzono ocenę budowy wewnętrznej warstw ceramicznych z uwzględnieniem udziału ilościowego poszczególnych składników fazowych oraz określono w sposób jakościowy i ilościowy udział porów sferycznych, horyzontalnych oraz wertykalnych, przy czym jako punkt odniesienia potraktowano powierzchnię swobodną powłoki. Wykonano także badania charakteryzujące rozmieszczenie poszczególnych składników stopowych (fazowych), co miało na celu określenie stopnia jednorodności powłoki. Wykonano również badania charakteryzujące wielkość krystalitów poszczególnych składników strukturalnych, tj. faz 8YSZ i Sm2Zr2O7. Oceniono również stan naprężeń metodą dyfrakcyjną. Przeprowadzono analizy charakteryzujące dyfuzyjność cieplną otrzymanych powłok i na tej podstawie oraz wyników pomiarów porowatości obliczono wartość współczynnika przewodnictwa cieplnego i skorygowanego przewodnictwa cieplnego w funkcji temperatury. Wyniki badań mikrostruktury, w tym porowatości, udziału poszczególnych składników fazowych oraz wielkości krystalitów, stanowiły podstawę do interpretacji uzyskanych wyników pomiarów dyfuzyjności cieplnej.

Słowa kluczowe

EN

TBC; samarium zirconates; pyrochlore; composite coatings

PL

TBC; cyrkonian samaru; pirochlor; powłoki kompozytowe

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2018
• Tom: Vol. 39, nr 2
• Strony: 75--83
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., fig., tab.

Twórcy

autor

Moskal G.

• Silesian University of Technology, Institute of Materials Engineering, Katowice

Bibliografia

• [1] Toriz F. C., Thakker A. B., Gupta S. K.: Thermal barrier coating for jet engines. ASME-88-GT-279 (1988) 1÷21.
• [2] Cernuschi F., Bianchi P., Leoni M., Scardi P.: Thermal diffusivity/microstructure relationship in Y-PSZ thermal barrier coatings. J. Therm. Spray Technol. 8 (1999) 102÷109.
• [3] Vassen R., Tietz F., Kerkhoff G., Stover D.: New materials for advanced thermal barrier coatings. In: Proceedings of the 6th Liege Conference on Materials for Advanced Power Engineering, Edited by J. Lecomte-Beckers, F. Schuber, and P. J. Ennis. ASM Thermal Spray Society, Liege, Belgium (1998) 1627÷1635.
• [4] Bast U., Schumann E.: Development of novel oxide materials for TBC`s. Ceram. Eng. Sci. Proc. 23 (2002) 525÷532.
• [5] Lehmann H., Pitzer D., Pracht G., Vassen R., Stover D.: Thermal conductivity and thermal expansion coefficients of the lanthanum rare-earthelement zirconate system. J. Am. Ceram. Soc. 86 (2003) 1338÷1344.
• [6] Vassen R., Cao X. Q., Tietz F., Basu D., Stover D.: Zirconates as new materials for thermal barrier coatings. J. Am. Ceram. Soc. 83 (2000) 2023÷2028.
• [7] Wu J., Wei X. Zh., Padture N. P., Klemens P. G., Gell M., Garcia E., Miranzo P., Osendi M. I.: Thermal conductivity of ceramics in the ZrO2– GdO1.5 system. J. Mater. Res. 17 (2002) 3193÷3200.
• [8] Moskal G., Iwaniak A., Rozmysłowska-Grund A.: Characterization of thermal properties of micro-sized ceramic powders for APS deposition of ceramic layers. Key Eng. Mater. 484 (2011) 152÷157.
• [9] Moskal G., Swadźba L., Witala B.: Characteristics of thermal properties of Gd2Zr2O7–ZrO2∙Y2O3 powder mixtures intended for deposition of gradient layers of TBC type. Def. Diff. Forum 312–315 (2011) 577÷582.
• [10] Keyvani A., Saremi M., Heydarzadeh Sohi M.: Oxidation resistance of YSZ-alumina composites compared to normal YSZ TBC coatings at 1100°C. J. Alloys Comp. 509 (2011) 8370÷8377.
• [11] Rangaraj S., Kokini K.: Interface thermal fracture in functionally graded zirconia–mullite–bond coat alloy thermal barrier coatings. Acta Mater. 51 (2003) 251÷267.
• [12] Habibi M. H., Wang L., Guo M.: Evolution of hot corrosion resistance of YSZ, Gd2Zr2O7, and Gd2Zr2O7 + YSZ composite thermal barrier coatings in Na2SO4 + V2O5 at 1050°C. J. Europ. Ceram. Soci. 32 (2012) 1635÷1642.
• [13] Lopato L. M., Nazarenko L. V., Gerasimyuk G. I., Shevchenko A. V.: Isothermal section of the ZrO2–Y2O3–Al2O3 phase diagram at 1250°C. Neorg. Mater. 28 (1992) 835÷839.
• [14] Lakiza S. M., Lopato L. M.: Stable and metastable phase. Relations in the system alumina–zirconia–yttria. J. Am. Ceram. Soc. 80 (1997) 893÷902.
• [15] Kulkarni A., Wang Z., Nakamura T., Sampath S., Goland A., Herman H., Allen J., Ilavsky J., Long G., Frahm J., Steinbrech R. W.: Comprehensive microstructural characterization and predictive property modeling of plasma-sprayed zirconia coatings. Acta Mater. 51 (2003) 2457÷2475.
• [16] Kittle C.: Introduction to solid state physics. Wiley, New York (1996).
• [17] Jadhav A. D, Padture N. P., Jordan E. H., Gell M., Miranzo P., Fuller E. R Jr.: Low-thermal-conductivity plasma-sprayed thermal barrier coatings with engineered microstructures. Acta Mater. 54 (2006) 3343-3349.
• [18] Maxwell J. C.: A treatise on electricity and magnetism. Clarendon Press, Oxford (1904).
• [19] Shafiro B., Kachanov M.: Anisotropic effective conductivity of materials with non-randomly oriented inclusions of diverse ellipsoidal shapes. Journal of Applied Physic 87 (2000) 8561÷8569.
• [20] Cernuschi F., Ahmaniemi S., Vuoristo P., Mantyla T. J.: Modelling of thermal conductivity of porous materials: application to thick thermal barrier coatings. J. Eur. Cer. Soc. 24 (2004) 2657÷2667.
• [21] Chmiela B., Sozańska M., Moskal G.: Application of EBSD method for the investigation of microstructure and crystallographic orientation in RE2Zr2O7 TBC. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 32 (2012) 012006.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).