Termomechanická a izotermická únava povrchově upravené niklové superslitiny
No Thumbnail Available
Date
Authors
Šulák, Ivo
ORCID
Advisor
Obrtlík, Karel
Referee
Pantělejev, Libor
Polák, Jaroslav
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
Systémy tepelných bariér na bázi oxidu zirkoničitého stabilizovaného oxidem ytritým patří mezi komerčně nejrozšířenější povrchové úpravy nacházející praktické uplatnění v leteckých motorech a pozemních energetických turbínách. Účelem tepelných bariér je primárně ochrana substrátu před působením vysokých teplot a rovněž zvýšení jeho oxidační odolnost. V současné době v relaci k poměrně častým sopečným erupcím a zvyšující se intenzitě letecké dopravy v pouštních oblastech je upírána pozornost směrem k novým povlakům, které budou odolávat tzv. CMAS poškození a zároveň budou splňovat nejpřísnější požadavky leteckého průmyslu. Speciálně pro tuto práci byly vyvinuty dva nové experimentální povlaky sestávající ze tří na sebe navazujících vrstev, z nichž svrchní dvě tvoří tepelně izolační keramický povlak. U první varianty povlaku použitého pro izotermické zkoušky je nejsvrchnější vrstva tvořena směsí mullitu a hexacelsianu v poměru 70/30 hm. %. Druhý typ nejsvrchnějšího povlaku, který byl použit pro termomechanické zkoušky, tvořila směs Al6Si2O13 + MgAl2O4 + BaCO3. Na svrchní vrstvy povlaku navazuje komerčně nejvyužívanější oxidem ytritým stabilizovaný oxid zirkoničitý. Metalický povlak, který je přímo deponovaný na substrát niklové superslitiny MAR-M247 je na bázi CoNiCrAlY a plní kompenzační funkci mezi mechanickými vlastnosti niklové superslitiny a svrchního keramického povlaku. Systém tepelné a environmentální bariéry byl deponován technologií plasmatického nástřiku (APS). Hlavním cílem této práce bylo hodnocení vlivu nově vyvinuté tepelné a environmentální bariéry, která má vysoký potenciál při ochraně povrchu komponent v agresivním prostředí, na izotermické a termomechanické únavové chování niklové superslitiny MAR-M247. Únavové zkoušky byly provedeny nejprve na nepovlakovaném materiálu a následně na povlakované superslitině v režimu řízení deformace s konstantní amplitudou celkové deformace. Byly zaznamenány křivky zpevnění/změkčení, cyklické deformační křivky a křivky životnosti v reprezentaci amplitudy celkové deformace, amplitudy plastické deformace a amplitudy napětí na počtu cyklů do lomu. Mikrostrukturní analýza superslitiny MAR-M247 a nových experimentálních povlaků byla provedena ve skenovacím elektronovém mikroskopu. Byla identifikována místa iniciace a byl popsán proces šíření únavových trhlin. Dislokační struktury povlakované i nepovlakované superslitiny byly studovány v transmisním elektronovém mikroskopu. Hlavním přínosem této dizertační práce jsou zjištěné parametry nízkocyklové únavy povlakované a nepovlakované superslitiny MAR-M247 a identifikace mechanizmů poškození pro jednotlivé druhy zatěžování. Dosažené výsledky umožní přesnější odhady zbytkové životnosti součásti a bezpečnější provoz vysokoteplotních zařízení.
Yttria-stabilized zirconia-based thermal barrier coating systems are the most widely used commercial coatings in the industry, with practical applications in aircraft engines and land-based power turbines. The purpose of thermal barriers is primarily to protect the substrate from high temperatures and also to increase its oxidation resistance. Currently, concerning the relatively frequent volcanic eruptions and increasing air traffic intensity in desert areas, increased attention is being paid to the development of new thermal and environmental coatings that will withstand the so-called CMAS attack and still successfully meeting the strictest requirements of the aerospace industry. Two newly developed experimental coatings consisting of three successive layers have been developed for this work. The upper two layers are thermal insulating ceramic coatings, where two different uppermost coatings were deposited. The first uppermost layer of the coating is a mixture of mullite and hexacelsian in a ratio of 70/30 wt. %. The second upper most type of coating consists of Al6Si2O13 + MgAl2O4 + BaCO3 in a ratio of 6:3:1 wt. %. The interlayer is made of the commercially utilized yttria-stabilized zirconia. The metallic CoNiCrAlY coating, which is directly deposited on the nickel-based superalloy MAR-M247, fulfils a compensatory function between the mechanical properties of the nickel superalloy and the ceramic coating. The thermal and environmental barrier system was deposited using air plasma spraying (APS) technology. The main objective of this work was to evaluate the effect of the newly developed thermal and environmental barrier coating, which has a high potential for the protection of component surfaces in an aggressive environment, on isothermical and thermomechanical fatigue behaviour of nickel-based superalloy MAR-M247. Low cycle fatigue tests were performed in strain control mode with constant strain amplitude on both uncoated and TEBC coated superalloy. Fatigue hardening/softening curves, cyclic stress-strain curves and fatigue life curves in the representation of total strain amplitude, plastic strain amplitude and stress amplitude on the number of cycles to failure were obtained. Microstructural analysis of MAR-M247 superalloy and a newly developed experimental coating was performed in a scanning electron microscope. The fatigue crack initiation sites were identified and the process of fatigue crack propagation was described. The dislocation arrangement after fatigue loading of MAR-M247 was investigated in a transmission electron microscope. The findings of isothermical and thermomechanical low cycle fatigue behaviour of uncoated and TEBC coated MAR-M247 superalloy and identification of damage mechanisms presented in this dissertation will improve the estimation of safe-life that is particularly relevant to aircraft engines components.
Yttria-stabilized zirconia-based thermal barrier coating systems are the most widely used commercial coatings in the industry, with practical applications in aircraft engines and land-based power turbines. The purpose of thermal barriers is primarily to protect the substrate from high temperatures and also to increase its oxidation resistance. Currently, concerning the relatively frequent volcanic eruptions and increasing air traffic intensity in desert areas, increased attention is being paid to the development of new thermal and environmental coatings that will withstand the so-called CMAS attack and still successfully meeting the strictest requirements of the aerospace industry. Two newly developed experimental coatings consisting of three successive layers have been developed for this work. The upper two layers are thermal insulating ceramic coatings, where two different uppermost coatings were deposited. The first uppermost layer of the coating is a mixture of mullite and hexacelsian in a ratio of 70/30 wt. %. The second upper most type of coating consists of Al6Si2O13 + MgAl2O4 + BaCO3 in a ratio of 6:3:1 wt. %. The interlayer is made of the commercially utilized yttria-stabilized zirconia. The metallic CoNiCrAlY coating, which is directly deposited on the nickel-based superalloy MAR-M247, fulfils a compensatory function between the mechanical properties of the nickel superalloy and the ceramic coating. The thermal and environmental barrier system was deposited using air plasma spraying (APS) technology. The main objective of this work was to evaluate the effect of the newly developed thermal and environmental barrier coating, which has a high potential for the protection of component surfaces in an aggressive environment, on isothermical and thermomechanical fatigue behaviour of nickel-based superalloy MAR-M247. Low cycle fatigue tests were performed in strain control mode with constant strain amplitude on both uncoated and TEBC coated superalloy. Fatigue hardening/softening curves, cyclic stress-strain curves and fatigue life curves in the representation of total strain amplitude, plastic strain amplitude and stress amplitude on the number of cycles to failure were obtained. Microstructural analysis of MAR-M247 superalloy and a newly developed experimental coating was performed in a scanning electron microscope. The fatigue crack initiation sites were identified and the process of fatigue crack propagation was described. The dislocation arrangement after fatigue loading of MAR-M247 was investigated in a transmission electron microscope. The findings of isothermical and thermomechanical low cycle fatigue behaviour of uncoated and TEBC coated MAR-M247 superalloy and identification of damage mechanisms presented in this dissertation will improve the estimation of safe-life that is particularly relevant to aircraft engines components.
Description
Keywords
Niklová superslitina MAR-M247, tepelný a environmentální povlak, izotermická a termomechanická únava, napěťově-deformační odezva materiálu, křivky životnosti, degradace materiálu, Nickel-based superalloy MAR-M247, thermal and environmental barrier coating, isothermical and thermomechanical fatigue, stress-strain response, fatigue life curves, degradation of material
Citation
ŠULÁK, I. Termomechanická a izotermická únava povrchově upravené niklové superslitiny [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2019.
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. Libor Pantělejev, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jaroslav Polák, DrSc. (člen)
doc. Ing. Ladislav Čelko, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Stanislava Fintová, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jan Kohout, CSc. (člen)
Date of acceptance
2019-11-20
Defence
V rámci obhajoby DDP byla posouzena kvalita uchazeče dle příslušných předpisů. Téma práce je vysoce aktuální a lze ho považovat za významné pro rozvoj oboru a pro uplatnění v reálné praxi.
V rámci diskuse byly frekventantem zodpovězeny veškeré dotazy oponentů i členů komise.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení