Příprava a strukturní stabilita nanokrystalických tepelných bariér
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
Komplexní systémy tepelných bariér patří v současnosti mezi nejúčinnější povrchové úpravy nacházející praktické uplatnění v pozemních energetických turbínách a proudových leteckých motorech. V případě nejexponovanějších rotorových a statorových vysokoteplotních částí leteckých motorů tak bylo v kombinaci tepelné bariéry se systémem vnitřního chlazení dosaženo zvýšení provozní teploty o několik desítek stupňů celsia. V případě konvenčních tepelných bariér sestávajících ze svrchního povlaku na bázi ZrO2-Y2O3 a vazebného povlaku na bázi MCrAlY, pracujících na hranici materiálových limitů, je však velice obtížné dosáhnout dalšího zvýšení provozních teplot, byť jen o několik jednotek stupňů celsia. Pracovní teplota ve spalovací komoře leteckého motoru je úměrná jeho efektivitě a nepřímo úměrná celkové spotřebě paliva a produkci nežádoucích emisí CO2. Z tohoto důvodu je stále vynakládáno značné úsilí ve výzkumu a vývoji nových typů keramických povlaků, které jsou schopné dlouhodobě pracovat za extrémních podmínek. Napomáhají tak tomu i například nové přístupy návrhu vícevrstvých kompozitních systémů tepelných bariér, které umožňují obstát v požadovaném trendu růstu pracovních teplot leteckých motorů, a to zejména díky možnosti optimalizace vysokoteplotní odolnosti a vysoké životnosti. Jejich základnímu přehledu, vlastnostem, technologiím přípravy a způsobům testování je věnována teoretická část disertační práce. Experimentální část disertační práce je věnována optimalizaci přípravy konvenční ZrO2-Y2O3 / MCrAlY tepelné bariéry pomocí atmosférického plazmatického nástřiku a současně vývojem, přípravou a charakterizací nového vícevrstvého experimentálního kompozitního systému tepelné bariéry na bázi ZrO2-Y2O3-Al2O3-SiO2 / ZrO2-Y2O3 / MCrAlY, která v mikrostruktuře obsahuje oblasti amorfní a/nebo nanokrystalické. Strukturní stabilita, fázové transformace a růst tepelně indukovaného oxidu v konvenční i experimentální tepelné bariéře byl po optimalizaci parametrů depozice hodnocen testy vysokoteplotní izotermické oxidace a vysokoteplotní cyklické oxidace a na spalovacím testu. Konvenční i experimentální systémy tepelných bariér byly hodnoceny s využitím metod světelné mikroskopie, rastrovací elektronové mikroskopie s energiově disperzní mikroanalýzou a pomocí rentgenové difrakce. Nově navržený experimentální vícevrstvý systém tepelné bariéry prokázal, v porovnání s konvenční tepelnou bariérou, nižší hodnotu tepelné vodivosti, pomalejší kinetiku růstu tepelně indukovaného oxidu, vyšší strukturní stabilitu a celkově v rámci všech provedených vysokoteplotních testů vyšší životnost.
Complex thermal barrier coating systems are one the most efficient high-temperature surface treatments which open up practical applications in land-based turbines and air jet engines. In the case of most exposed rotor and stator jet engine components, the combination of thermal barrier coatings together with the inner cooling system made it possible to increase working temperature by several tens of degrees of Celsius. Nevertheless, it is very difficult to achieve any further increase in working temperature by using the conventional thermal barrier coatings based on the ZrO2-Y2O3 ceramic top coat and the MCrAlY metallic bond coat, which currently work at their material limits. The working temperature inside the combustion chamber of the jet engine is proportional to engine’s efficiency and inversely proportional to fuel consumption and production of undesirable CO2 emission. Therefore, a considerable effort has recently been devoted to research and development of new types of ceramic coatings that can withstand long term extreme working conditions. New design approaches of multi-layer composite thermal barrier coating systems can sustain the required trend of increasing working temperature of jet engines mainly because of possibility of optimization of high-temperature durability and long lifetime. The theoretical part of thesis provides a fundamental overview of thermal barrier coatings, their properties, deposition technologies and testing methods. The experimental part is focused on optimization of deposition parameters of conventional ZrO2-Y2O3 / MCrAlY thermal barrier coatings prepared by means of atmospheric plasma spraying. Furthermore, a novel multi-layer thermal barrier coating system based on ZrO2-Y2O3-Al2O3-SiO2 / ZrO2-Y2O3 / MCrAlY, which contains amorphous and/or nanocrystalline regions, is developed, tested and characterized as well. Structural stability, phase transformations and growth of the thermally grown oxide in both conventional and experimental systems after high-temperature isothermal oxidation, cyclic oxidation and burner-rig tests were evaluated by means light microscopy, scanning electron microscopy with energy-dispersive microanalysis and X-ray diffraction. In comparison with the conventional thermal barrier coatings, the novel multi-layered systems have lower thermal conductivity, slower thermally grown oxide kinetic, better structural stability, and generally higher lifetime in all high-temperature tests.
Complex thermal barrier coating systems are one the most efficient high-temperature surface treatments which open up practical applications in land-based turbines and air jet engines. In the case of most exposed rotor and stator jet engine components, the combination of thermal barrier coatings together with the inner cooling system made it possible to increase working temperature by several tens of degrees of Celsius. Nevertheless, it is very difficult to achieve any further increase in working temperature by using the conventional thermal barrier coatings based on the ZrO2-Y2O3 ceramic top coat and the MCrAlY metallic bond coat, which currently work at their material limits. The working temperature inside the combustion chamber of the jet engine is proportional to engine’s efficiency and inversely proportional to fuel consumption and production of undesirable CO2 emission. Therefore, a considerable effort has recently been devoted to research and development of new types of ceramic coatings that can withstand long term extreme working conditions. New design approaches of multi-layer composite thermal barrier coating systems can sustain the required trend of increasing working temperature of jet engines mainly because of possibility of optimization of high-temperature durability and long lifetime. The theoretical part of thesis provides a fundamental overview of thermal barrier coatings, their properties, deposition technologies and testing methods. The experimental part is focused on optimization of deposition parameters of conventional ZrO2-Y2O3 / MCrAlY thermal barrier coatings prepared by means of atmospheric plasma spraying. Furthermore, a novel multi-layer thermal barrier coating system based on ZrO2-Y2O3-Al2O3-SiO2 / ZrO2-Y2O3 / MCrAlY, which contains amorphous and/or nanocrystalline regions, is developed, tested and characterized as well. Structural stability, phase transformations and growth of the thermally grown oxide in both conventional and experimental systems after high-temperature isothermal oxidation, cyclic oxidation and burner-rig tests were evaluated by means light microscopy, scanning electron microscopy with energy-dispersive microanalysis and X-ray diffraction. In comparison with the conventional thermal barrier coatings, the novel multi-layered systems have lower thermal conductivity, slower thermally grown oxide kinetic, better structural stability, and generally higher lifetime in all high-temperature tests.
Description
Keywords
Pokročilé povrchové úpravy, materiálové systémy tepelných bariér, technologie žárového nástřiku, vysokoteplotní expozice, strukturní a fázová stabilita, Advanced surface treatment, materials systems of thermal barrier coatings, thermal spray technology, high temperature exposure, structural and phase stability
Citation
JECH, D. Příprava a strukturní stabilita nanokrystalických tepelných bariér [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2018.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
cs
Study field
Fyzikální a materiálové inženýrství
Comittee
prof. RNDr. Karel Maca, Dr. (předseda)
doc. Ing. Pavel Ctibor, Ph.D. (člen)
Ing. Jindřich Ziegelheim, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jaroslav Cihlář, CSc. (člen)
prof. RNDr. Pavel Šandera, CSc. (člen)
Date of acceptance
2018-12-10
Defence
Prezentace k obhajobě DDP byla srozumitelná a provedená v časovém limitu. Doktorand zodpověděl úspěšně všechny dotazy přednesené oponenty i členy komise. Největším přínosem předložené DDP je vývoj a příprava zcela nového povlaku TBC s vlastnostmi překračujícími dosavadní konvenční materiály.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení