Test çalışması sırasında motor çalışma türbin kanatlarındaki termal bariyer kaplamasının soyulma olgusunu hedefleyen bu çalışmada, makroskobik gözlem, taramalı elektron mikroskobu morfoloji analizi ve enerji spektrumu mikro bileşen analizi yoluyla ürünün kullanımı sırasında kaplamanın soyulmasının temel nedeni ortaya çıkarılmış, tüm proses sürecinin araştırma sonuçlarıyla birleştirilmiş ve sonraki parçaların işleme teknolojisinin iyileştirilmesi için öneriler sunulmuştur.
Elektron ışını fiziksel buhar biriktirme (EB-PVD) termal bariyer kaplaması, uçak motoru kanatlarında yaygın olarak kullanılmaktadır ve uçak motoru kanatları için vazgeçilmez bir anahtar teknoloji haline gelmiştir. EB-PVD teknolojisi, buharlaştırılacak malzemeyi vakum ortamında su soğutmalı bir potaya ısıtmak için yüksek enerji yoğunluklu bir elektron ışını kullanan, böylece erimiş bir gazlaştırma durumuna ulaşan ve saptırıcı bir manyetik alanın etkisi altında alt tabakaya buharlaşarak bir kaplamaya yoğunlaşan bir teknolojidir. Çift katmanlı yapı, gradyan yapısı ve çok katmanlı yapı dahil olmak üzere birçok türde EB-PVD termal bariyer kaplama yapısı vardır; bunların en yaygın kullanılanı çift katmanlı termal bariyer kaplamadır. Çift katmanlı termal bariyer kaplama, seramik bir üst katmandan ve metal bir bağlama katmanından oluşur. Seramik katman esas olarak ısı yalıtımı rolünü oynar ve metal bağlama katmanı esas olarak matris ile seramik katman arasındaki termal genleşme uyumsuzluğunu hafifletme ve matrisin yüksek sıcaklıkta oksidasyon korozyonuna karşı direncini artırma rolünü oynar. Gerçek çalışma ortamında, bağ tabakası ile seramik tabaka arasındaki arayüz, ana bileşeni -Al2O3 olan bir oksit tabakası oluşturacak ve böylece O elementlerinin kaplamaya daha fazla difüzyonunu engelleyecektir. Termal bariyer kaplamalarının uygulanmasında karşılaşılan temel zorluk, kaplamanın dayanıklılığı, özellikle de seramik tabakadaki gerilim durumu, bağ tabakasının mikro yapısı, TGO tabakasının kalınlığı ve gerilim durumu ve bağ tabakası ile TGO arasındaki çeşitli arayüzlerin kırılma direnci gibi birçok faktörden etkilenen kaplamanın parçalanmaya karşı direncidir. Şu anda, bağ tabakasının oksidasyonunun termal bariyer kaplamanın ömrünü belirleyen temel faktör olduğu kabul edilmektedir.
1. Test süreci ve sonuçları
1.1 Kaplama dökülmesi morfolojisinin makroskobik gözlemi
Motor testinden 9 saat sonra, çalışma bıçağının yüzeyindeki kaplamanın döküldüğü ve dökülme alanının standart gereklilikleri aştığı görüldü. Makro morfolojisi Şekil 1'de gösterilmiştir.
1.2 Kaplamanın kullanım öncesi ve sonrası karşılaştırmalı analizi
Yaprak kaplama soyulmalarının nedenlerinin daha detaylı incelenmesi amacıyla, servis yaprakları aynı partinin yeni yapraklarıyla karşılaştırılmış ve her bir yaprağın yaprak uçları ve orta kısımlarının kaplama bileşenleri ve mikro yapıları Şekil 2’de gösterilen yaprak konumlarına göre karşılaştırılarak analiz edilmiştir.
1) Yaprak makro morfolojisinin karşılaştırılması. Servis bıçağı ve yeni bıçak karşılaştırıldı ve gözlemlendi ve morfoloji Şekil 3'te gösterildi. Servis bıçağının kaplama soyulması esas olarak bıçak ucuna yakın bıçağın giriş kenarı ve egzoz kenarında yoğunlaşmıştır.
2) Kimyasal bileşim analizi. Numuneler bıçağın ucundan ve bıçak gövdesinin ortasından alındı ve sıcak Mozaik işleminden sonra metalografik numuneler hazırlandı. Şekil 2'de gösterilen tespit parçalarına göre, bıçağın her bir parçasındaki kaplama bileşenleri enerji spektrumu ile analiz edildi. Sonuçlar, soyulmuş yaprakların alt katmanındaki ana element içeriğinin temelde aynı partideki çıkarılmamış yapraklarla aynı olduğunu, ancak yüzey katmanındaki ana element içeriğinde belirgin bir fark olmadığını gösterdi.
3) Kaplama morfolojisi analizi. Metalografik numuneler taramalı elektron mikroskobu ile incelendi ve sonuçlar Şekil 4'te gösterildi. Şekilden, kaplamanın soyulduğu bıçağın alt tabakasının sağlam olduğu ve alt tabakada bir miktar yüzey tabakası dokusunun kaldığı görülebilir. Kaplama, yüzey tabakası sütunlu kristalinin kökünden kopmuştur ve yüzey tabakası ile alt tabaka arasında yaklaşık 1 μm TGO tabakası vardır. Ayrıca, bıçağın farklı pozisyonlarındaki tam kaplama yapısı analiz edildi ve giriş kenarından egzoz kenarına kadar olan mikroskobik morfoloji, bıçağın orta bölümünde gözlemlendi. Kanadın orta bölümünün giriş kenarında, yüzey tabakasının silindirik kristali kök boyunca çatlamıştır, bu da kaplamanın bıçağın ucundan soyulmaya başladığını ve kırığın bıçağın ortasına kadar uzandığını göstermektedir. Öte yandan, yaprağın arka kısmında ve egzoz kenarında bulunan yüzey tabakasındaki sütunlu kristal yapılar, tüy benzeri bir dağılımda değil, kümelenmiş durumdadır, sütunlu kristaller arasındaki boşluklar belirgin değildir ve sütunlu kristalin kökü, ucuna göre daha gevşektir.
Aynı partinin sökülmemiş bıçaklarının farklı pozisyonlarında taramalı elektron mikroskobu gerçekleştirildi ve sonuçlar Şekil 5'te gösterildi. Şekil 5'te görülebileceği gibi, yeni yapılmış yaprakların kaplama yapısı soyulmuş yapraklarınkiyle aynıdır. Sütunlu kristalin üst ucu yoğun bir şekilde dağılmıştır ve yüzey katman yapısı katmanların istiflenmesiyle oluşur. Yüzey katmanı ile alt katman arasında belirgin bir TGO katmanı vardır ve kalınlığı yaklaşık 1 μm'dir. Bıçak üzerindeki bağlama katmanı ile seramik katman arasında TGO katmanının varlığı, seramik katmanın biriktirilmesi sırasında fırında belirli miktarda O olduğunu ve bunun TGO katmanının oluşumunu desteklediğini ve fırının vakum derecesinin standart gereksinimleri karşılamayabileceğini, böylece TGO katmanının ilk önce alt katman ile yüzey katmanının birleşim noktasında oluştuğunu gösterir. Aynı zamanda, sütunlu kristal boyunca yüzey seramik çatlaması da bıçağın ucunda mevcuttur.
Bıçak termal bariyer kaplama işlemi şu şekildedir: bıçak yüzey ön işlemi → çok arklı iyon kaplama biriktirme tabanı → vakum difüzyonu → ultrasonik temizleme → vakum elektron ışını biriktirme yüzey tabakası. İşlem sırasında hem metal bağlama tabakası hem de seramik tabaka vakum altında biriktirilir, bu nedenle bağlama tabakası ile seramik tabaka arasında yaklaşık 1 μm kalınlığında bir TGO tabakası oluşmamalıdır. Mevcut termal bariyer kaplama hazırlama işlemi, doku tespiti için TGO tabakasını içermez, bu nedenle hazırlama işleminde oluşturulan TGO tabakasının termal bariyer kaplamanın performansı ve hizmet ömrü üzerindeki etkisi ayrıntılı olarak gösterilmelidir, bu nedenle burada ayrıntılara girmeye gerek yoktur. Ancak, fırındaki vakum derecesi gereksinimleri karşılamıyorsa, seramik yüzeyin yapısı ve özellikleri termal bariyer kaplamanın hizmet ömrünü etkileyebilir; bu durum bu çalışmadaki deneylerle doğrulanmıştır.
1.3 Mikro sertlik testi
İki tür bıçağın seramik yüzeyinin sertliği sırasıyla test edilmiş ve sonuçlar Tablo 1'de gösterilmiştir. Aynı partideki kaplamalı soyma bıçağının seramik yüzeyinin sertlik değeri ile sökülen bıçağın sertlik değeri arasında önemli bir fark olmadığı, bunun da aynı partideki bıçağın sertlik değerinin kullanımdan önce ve sonra önemli ölçüde değişmediğini gösterdiği görülmektedir.
1.4 Doğrulama testi
Termal bariyer kaplamanın seramik tabakası, elektron ışını fiziksel biriktirme işlemi altında gerçekleştirilir. ZrO2, külçeden buharlaşana kadar vakumlu bir fırında ısıtılır ve ardından yavaşça bıçağın yüzeyine biriktirilir. Seramik tabaka büyümesinin şekli ve kalınlığı, vakumlu fırında akım, vakum derecesi ve biriktirme süresi gibi parametrelerin kontrol edilmesiyle sağlanır. İşlem incelemesinden sonra, vakumlu fırında tabanca teli veya mekanik pompa yağının değiştirildiğine dair kayıtlar olduğu ve bunun doğrudan vakumlu fırının vakum derecesini etkileyeceği ve ardından seramik kaplama sütunlu kristallerinin büyümesini etkileyeceği bulunmuştur. Vakum derecesinin seramik tabakanın silindirik kristallerinin morfolojisi ve özellikleri üzerinde bir etkisi olup olmadığını doğrulamak için, Tablo 2'deki işlem parametreleri kullanılarak farklı seramik tabakaların biriktirme testleri gerçekleştirilir.
Yaprak kaplaması iki koşul altında elektron mikroskobu ile gözlendi. Sonuçlar, aynı voltaj, akım ve biriktirme süresi altında, fırındaki vakum derecesi 5×10−4 Torr olduğunda, seramik sütunlu kristallerin tüy veya buğday benzeri göründüğünü ve bağlama tabakası ile seramik tabaka arasında TGO tabakasının olmadığını gösterdi (ŞEKİL 6a). Vakum derecesi 5×10−3 Torr olduğunda, seramik kaplamanın sütunlu kristalleri kaba idi ve tüy veya sivri şekil göstermedi. Sütunlu kristallerin kökünün mikro yapısı, uca kıyasla nispeten gevşekti ve mikro yapı, çıkarılmış yaprakların mikro yapısına benziyordu ve bağlama tabakası ile seramik tabaka arasında bir TGO tabakası vardı (ŞEKİL 6b). Aynı zamanda, seramik kaplamanın iki vakum derecesi altındaki sertliği test edilmiş ve sonuçlar, seramik tabakanın sertliğinin 5×10−4 Torr vakum derecesi altında daha yüksek olduğunu, ancak 5×10−3 Torr vakum derecesi altında biriktirilen seramik tabakanın sertliğinin daha düşük olduğunu göstermiştir (Tablo 3).
2. Sonuç
1) Arızalı bıçağın seramik tabakası yüzey tabakasının kökünden kırılmış ve sütunlu kristalin kök yapısı gevşektir ve sütunlu kristalin orta ve üst kısmı kümelenmiş ve katmanlar halinde dağılmıştır. Sertlik değeri normal seramik tabakanınkinden daha düşüktür ve yapı normal seramik kaplamalı sütunlu kristalinkinden önemli ölçüde farklıdır.
2) Vakum derecesi, seramik kaplamanın büyüme morfolojisi üzerinde doğrudan bir etkiye sahiptir. Vakum derecesi standart gereklilikleri karşıladığında, sütunlu kristaller tüy veya kulak gibi büyür. Vakum derecesi standart gerekliliklerin altında olduğunda, sütunlu kristalin kökü gevşektir, sütunlu kristalin orta ve üst kısmı yoğundur ve bağlama tabakası ile seramik tabakası arasında belirgin bir TGO tabakası vardır.
3) Arızalı bıçağın seramik tabakasının kullanım şartlarını karşılamaması, fiziksel biriktirme ekipmanının anormal durumundan kaynaklanır ve biriktirilen seramik tabaka organizasyonunun standart şartlarına uymamasıyla sonuçlanır.
