Katmanlı ve fonksiyonel derecelendirilmiş malzemelerden yapılmış termal bariyer kaplamalarındaki termal gerilimlerin sonlu elemanlar metodu ile hesaplanması

Abstract

Thermal barrier coatings are used for increasing the operating temperature of the material hence the thermal efficiency of the system. Usually, homogeneous ceramic coatings on metal substrates are used for this purpose. The most important problem faced in the systems with these types of coatings is thermal stresses which develop during operation due to high mismatch in the thermal expansion coefficients of metal substrate and ceramic coating. As a result of these thermal stresses, edge cracking and debonding occur along metal/creamic interface in the system. To prevent cracking and debonding, coatings made from functionally graident materials (FGMs) were introduced. In these types of coatings, material properties are functionally changed along the thickness of the coating, thus the mismatch between substrate and coating and thermal stresses in the system are minimized. In this study thermal stresses in disk-shaped specimens of nickel based metal alloy Rene-41 substrate and Zirkonya/Rene-41 composite coatings are calculated using specially developed finite element method. Funtinally gradient coating and layered coatings are considered and it is shown that functionally gradient coating is safer compared to layered coatings.

Özet

Termal bariyer kaplamaları malzemenin çalışma sıcaklığını yükselterek sistemin verimini arttırmak amacı ile kullanılır. Genelde metal alt tabakanın üzerine homojen seramik kaplama şeklinde uygulanmaktadır. Bu tür kaplamalarda çalışma esnasında görülen en önemli problem, metal alt tabaka ile seramik kaplamanın termal genleşme sabitlerinin farklı olması nedeniyle ortaya çıkan büyük termal gerilmelerdir. Bu gerilmeler sonucunda sistemde çatlaklar ve metal/seramik ara yüzünde ayrılmalar görülmektedir. Sözkonusu çatlakları ve ayrılmaları önlemek için fonksiyonel derecelendirilmiş malzemelerden yapılmış kaplamalar geliştirilmiştir. Bu tür kaplamalarda malzeme özellikleri kaplama kalınlığı boyunca fonksiyonel olarak değiştirilmekte ve bu sayede kaplama ile alt tabaka arasındaki uyumsuzluk ve termal gerilmeler en düşük dereceye indirilebilmektedir. Bu çalışmada nikel alaşımlı Rene-41 alt tabakasından ve Zirkonya/Rene-41 karışımı, katmanlı ve fonksiyonel derecelendirlmiş termal bariyer kaplamalarından oluşan silindir şeklindeki numunelerdeki termal gerilmeler, özel olarak geliştirilmiş sonlu elemanlar metodu kullanılarak hesaplanmış ve fonksiyonel derecelendirilmiş kaplamanın katmanlı kaplamalara göre daha güvenlilir olduğu gösterilmiştir.