The numerical analysis of stress and temperature distribution in a double-ceramic-layer (DCL) type of La2Zr2O7/8YSZ thermal barrier coatings (TBC) in as-sprayed state

• Autorzy: Jasik A.

Identyfikatory

DOI

10.15199/40.2018.12.3

Warianty tytułu

PL

Analiza stanu naprężeń i rozkładu temperatury w podwójnych barierach cieplnych typu La2Zr2O7/ 8YSZ w stanie natrysku cieplnego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents the results of numerical calculations of the temperature distribution and thermal stresses in two systems of layered thermal barrier coatings (TBC) of DCL (double-ceramic--layer) type deposited on the In625 Ni-based superalloy by atmospheric plasma spraying (APS). Conventional monolayered TBC obtained from 8YSZ (6-8% wt. Y2O3×ZrO2) and LZO (La2Zr2O7) powders with an insulation layer thickness of 300 μm was used as the reference material. Numerical analysis was applied to the DCL TBC systems in which the external ceramic layer was obtained from LZO powder, while the internal layer was a 8YSZ zone. The thickness of both types of ceramic sublayers was a variable parameter. In all cases it was assumed that the bond-coat would be the NiCrAlY type of coating obtained by atmospheric plasma spraying. The thickness of the bond-coat layer was 200 microns. The starting point was a TBC system with the same thickness of both zones (150 μm each), while further variants included coatings with the following mutual ratios of thickness of both materials (sub-layers):20/80, 30/70, 50/50, 70/30 and 80/20. The purpose of these analyses was to determine the optimum value of the thickness ratio of individual ceramic zones in DCL coatings, not only from the point of view of the insulation effect, but primarily the state of stresses determining the durability of the entire TBC system. Numerical analysis of stress and temperature distribution indicates that the life cycle of DCL coatings should be strongly dependent on the thickness ratio of ceramic zones LZO and YSZ, while the two-layer coatings show better aggregate insulation characteristics and related stress states.

PL

W opracowaniu przedstawiono wyniki obliczeń numerycznych rozkładu temperatury i naprężeń cieplnych w dwuwarstwowych powłokowych barierach cieplnych (DLC double-ceramic-layer) naniesionych na elemencie z nadstopu niklu metodą natrysku cieplnego. Jako punkt odniesienia przyjęto konwencjonalne powłokowe bariery cieplne (TBC) otrzymane z proszku 8YSZ (6-8% wagowych Y2O3 x ZrO2) oraz LZO (La2Zr2O7) o grubości warstwy izolacyjnej na poziomie wynoszącym 300 μm. Analizie numerycznej poddano powłoki TBC, w których zewnętrzną warstwę ceramiczną otrzymano z proszku LZO, natomiast warstwą wewnętrzną była strefa 8YSZ. Grubość obu rodzajów warstw ceramicznych była parametrem zmiennym. We wszystkich przypadkach przyjęto, że warstwa podkładowa to powłoka typu NiCrAlY otrzymana metodą natrysku plazmowego, podobnie jak zewnętrzna warstwa izolacyjna. Grubość warstwy wiążącej wynosiła 200 mikronów. Punktem wyjścia był system TBC o tej samej grubości obu stref (każda o grubości 150 μm), podczas gdy kolejne warianty obejmowały powłoki o następujących wzajemnych stosunkach grubości obu materiałów (podwarstw): 20/80, 30/70, 50 / 50, 70/30 i 80/20. Celem tych analiz było określenie optymalnej wartości stosunku grubości poszczególnych stref ceramicznych w powłokach DCL, nie tylko z punktu widzenia efektu izolacji, ale przede wszystkim stanu naprężeń determinujących trwałość całego układu TBC. Analiza numeryczna rozkładu naprężeń i temperatury wskazuje, że cykl życia powłok DCL powinien być silnie uzależniony od stosunku grubości stref ceramicznych LZO i YSZ, podczas gdy powłoki dwuwarstwowe wykazują lepszą charakterystykę izolacji kruszywa i związany z tym stan naprężenia.

Słowa kluczowe

EN

thermal barrier coatings; TBC; temperature distribution; thermal stress; FEM; double-ceramic-layer; DCL

PL

powłokowe bariery cieplne; rozkład temperatury; naprężenie cieplne; MES; powłoki dwuwarstwowe; DCL

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Ochrona przed Korozją
• Rocznik: 2018
• Tom: nr 12
• Strony: 369--374
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Jasik A.

• Silesian University of Technology, Institute of Materials Engineering, 40-019 Katowice, Krasińskiego Street 8, Poland

Bibliografia

• [1] Swadźba Lucjan, Moskal Grzegorz, Mendala Bogusław, et al. 2008. „Characterization of microstructure and properties of TBC systems with gradient of chemical composition and porosity“. Archives of Metallurgy and Materials 53 (3) : 945-954.
• [2] Swadźba Radosław, Hetmańczyk Marek, J. Wiedermann, et al. 2013. „Microstructure degradation of simple, Pt- and Pt+Pd-modified aluminide coatings on CMSX-4 superalloy under cyclic oxidation conditions“. Surface & Coatings Technology 215 : 16-23.
• [3] Moskal Grzegorz, Swadźba Lucjan, Mendala Bogusław, et al. 2010. „Degradation of the TBC system during the static oxidation test“. Journal of Microscopy-Oxford 237 (3) : 450-455.
• [4] Samadi H. 2009. „A Thick Multilayer Thermal Barrier Coating: Design“. Deposition, and Internal Stresses PhD Department of Materials Science and Engineering, University of Toronto.
• [5] Noda N., Hetnarski R. B., Tanigawa Y. 2003. Thermal Stresses.: Taylor & Francis New York, London.
• [6] Eslami R., Hetnarski R. B., Ignaczak J., Noda N., Sumi N., Tanigawa Y. 2013. Theory of Elasticity and Thermal Stresses. Explanations, Problems and Solutions. Springer Science & Business Media.
• 7] Boley B. A., Weiner J. H. 2013. Theory of Thermal Stresses. Dover Publications, Incorporated.
• [8] Pawlowski Lech, 2009. „Suspension and solution thermal spray coatings“. Surface &Coatings Technology 203 : 2807-2829.
• [9] Padture N. P., Gell M., Jordan E. H. 2002. „Thermal Barrier Coatings for Gas-Turbine Engine Applications“. Science 296 (5566) : 280-284.
• [10] Carpio P., Bannier E., Dolores Salvador M., Borrell A., Moreno R., Sanchez E., 2015. „Effect of particle size distribution of suspension feedstock on the microstructure and mechanical properties of suspension plasma spraying YSZ coatings“. Surface &Coatings Technology 268 : 293-297.
• [11] VanEvery K., Krane M.J.M., Trice R.W. 2012. „Parametric study of suspension plasma spray processing parameters on coating microstructures manufactured from nanoscale yttria-stabilized zirconia“. Surface & Coatings Technology 206 : 2464-2473.
• [12] Zhoua Y.C., Hashida T. 2001. „Show more coupled effects of temperature gradient and oxidation on thermal stress in thermal barrier coating system“. International Journal of Solids and Structures 38 (24–25) : 4235-4264.
• [13] Jasik Anna. 2017. „The numerical modeling of thermal stress distribution in thermal barrier coatings”. Archives of Metallurgy and Materials 62 (3) : 1433-1437.
• [14] Reid A.C.E., Langer S.A., Lua R.C., Coffman V.R., Haan S.I., Garcia R.E. 2008. „Image-based finite element mesh construction for material microstructures“. Comput. Mater. Sci. 43 : 989–999.
• [15] Pawlowski L., Smurov I. 2002. „Modeling of high power laser interaction with APS deposited FeCr-TiC“. SSurface & Coatings Technology 151-152 : 308-315.
• [16] Nayebpashaee N., Seyedein S.H., Aboutalebi M.R., Sarpoolaky H., Hadavi S.M.M. 2016: „Finite element simulation of residual stress and failure mechanism in plasma sprayed thermal barrier coatings using actual microstructure as the representative volume“. Surface & Coatings Technology 291 : 103–114.
• [17] Han M., Zhou G., Huang J., Chen S. 2014. “Optimization selection of the thermal conductivity of the top ceramic layer in the Double-Ceramic-Layer Thermal Barrier Coatings based on the finite element analysis of thermal insulation”. Surface & Coatings Technology 24 : 320–326.
• [18] Wang L., Wang Y., Sun X.G., He J.Q., Pan Z.Y., Wang C.H. 2012. „Finite element simulation of residual stress of double-ceramic-layer La2Zr2O7/8YSZ thermal barrier coatings using birth and death element technique“. Computational Materials Science 53 : 117–127.
• [19] Han M., Zhou G., Huang J., Chen S.H. 2013. “A parametric study of the double-ceramic-layer thermal barrier coatings part I: Optimization design of the ceramic layer thickness ratio based on the finite element analysis of thermal insulation (take LZ7C3 / 8YSZ / NiCoAlY DCL-TBC for an example)”. Surface & Coatings Technology 236 : 500–509.

Uwagi

This work supported by the National Science Centre, Poland, under grant number 11/030/PBU17/0176

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).