Çözeltili Plazma Sprey (SPPS) Kaplama Yöntemi

Çözeltili plazma sprey (SPPS) yöntemi tıpkı APS yöntemi gibi bir tür termal sprey yöntemidir. SPPS, henüz daha ticari olmayan ancak gelecekte ümit veren bir kaplama yöntemidir. Bu yöntemde, APS yönteminde kullanılan geleneksel toz besleme stoğu yerine kaplamayı biriktirmek için sulu bir kimyasal öncül besleme stoğu kullanılır [86–89]. Çözelti içerisindeki malzemeler, plazma ile birlikte sıcak altlık üzerinde gönderildiklerinde hem fiziksel hem de kimyasal reaksiyonlara maruz kalırlar. Toz besleme stoğu yerine çözelti kullanılması kaplama işleminin zamanını ve gerekli olan iş gücünü azaltır [3].

Şekil 3.7. SPPS yönteminin şematik gösterimi [86].

SPPS işlemi, Şekil 3.7’de şematik olarak verilmiştir. SPPS yönteminde, istenen oranlarda sulu bir Zr ve Y tuzları çözeltisi hazırlanır ve ardından bir atomize edici enjektörle plazmaya gönderilir [86,90]. Plazma jeti altı eksenli robotik kol tarafından kontrol edilir. Kaplama işleminde esas gaz olarak argon ve ikincil gaz olarak hidrojen

kullanılır. Sistemde plazma jet sisteminin çalışma gücü 35-45 kW arasındadır. Enjeksiyonu basınçlı hale getirmek için azot da kullanılır [86].

Sistem içerisindeki plazmanın alevi üç farklı bölgeden meydana gelir: soğuk bir çevre bölgesi, sıcak iç çekirdek ve ikisi arasında kalan orta sıcak bölge [3]. Plazma alevi içindeki atomize edilmiş damlacıkların boyutu ve konumu, kaplama işlemi sırasında meydana gelen fiziksel ve kimyasal reaksiyon türlerini belirler [90,91]. En sıcak bölgede (Şekil 3.8’deki III. bölge’de) püskürtülen ilk damlacıklar erir, çökelir ve prolize olarak altlık yüzeyine çökelirler. Plazma torcun ortasına ulaşan damlacıklar daha yoğun ve daha kristalli bir kaplama oluşturur. İnce splatlar, akma ve hızlı katılaşmaya bağlı olarak oluşur, ancak bu splatlar, hacim olarak APS kaplama sonucu oluşan katmanlardan çok daha küçüktür [90,92]. Diğer yandan, sıcak bölgelere şekilde gösterilen (Şekil 3.8’deki I bölge) gönderilmeyen damlacıklar kimyasal olarak parçalanmayacak ve kontrolsüz olduklarından dolayı altlık yüzeyine ulaşmayacaktır [90]. Erimeyen parçacıklar gözeneklilik ve çatlaklarla birlikte gerilme toleransı sağlar. Gözeneklilik ayrıca termal iletkenliği de azaltır [3,89,91]. Erimiş parçacıkların pirolizasyonu ve kristalizasyonu termal döngü sırasında yapılır [84]. Orta bölge, iç sıcak bölge ve dış soğuk bölge özelliklerinin bir karışımını içerir [90,93]. Tüm SPPS işlemi sırasında damlacıkların maruz kalabileceği işlemler şunlardır: Plazmadan ısı transferi, buharlaşma, ayrışma, çökeltme, piroliz, sinterleme, erime ve kristalleşme [94].

(a)

(b) (c) (d) (e)

Şekil 3.8. SSPS sistemi ve plazma jetinin kaplama işlemi esnasında farklı bölgelere enjekte ettiği damlacıkların oluşturduğu tortular (a) plazma jetinin şematik gösterimi, (b) I. bölgede oluşan tortu görüntüsü, (c) ve (d) II. bölgede oluşan tortuların görüntüsü (e) III. bölgede oluşan tortuların görüntüsü [3,90].

İstenilen mikro yapıyı elde etmek için önemli parametreler olan; akış hızı ve damlacık büyüklüğü bu yöntemde ayarlanabilir durumdadır [3]. Sıcak plazma bazı damlacıkların sinterlenmesine neden olabilir. Kaplama (7YSZ) mikro yapısı, kaplama işlemi sırasında sabit yüksek plazma sıcaklıkları nedeniyle kademeli olarak gelişir

(770 °C’ye ulaşır) [3,93]. Tipik SPPS’nin hacmi, yapışık birikintilerden (~%65), erimeyen parçacıklardan (~%19) ve gözeneklilikten (~%16) oluşur.

İlk yoğunlaşma aynı zamanda kaplama mikroyapısı için bir başka belirleyici faktördür [87]. Bununla birlikte, çözelti konsantrasyonunun piroliz ve kristalleşme sıcaklıkları üzerinde hiçbir etkisinin olmadığı bulunmuştur. Splat oluşumunun, çözeltinin konsantrasyonuna kuvvetle bağlı olduğu bulunmuştur. Özellikle düşük konsantrasyonlarda, yüzeyde çökelme meydana gelir ve kabuk oluşumuna neden olur. Düşük konsantre çözeltiler kullanılıyorsa, yarı pirolize edilmiş malzemeler nedeniyle gözenekli kaplama oluşur. Ultra ince uyarılı yoğun kaplama oluşturmak için yüksek konsantrasyonlu solüsyonlar kullanılabilir [87]. Şekil 3.9’da SPPS yönteminde oluşan damlacıkların evrim süreci ayrıntılı bir şekilde verilmiştir.

Şekil 3.9. İlk çözelti öncü konsantrasyonunun, plazma jetindeki damlacıkların evrimi üzerindeki etkisinin şematik gösterimi [87].

kaplanabileceğini göstermiştir. Sonuçlarına göre Al+3_{, ZrO}

2 ile istenen katı bir çözelti

oluşturulmuştur [96,97]. Parçacıkların erimesi ve hızlı bir şekilde katılaşması, yaklaşık 50 nm tane büyüklüğünde sütunlu tanelere neden olmaktadır [3,90]. Gözeneklilik kaplamanın daha derin bölgelerinde daha yüksektir, çünkü altlık malzeme kaplama işleminin başında daha düşük bir sıcaklığa sahiptir [3].

SPPS ve APS ile biriktirilmiş kaplama arasında mikroyapısal farklılıklar vardır. SPPS TBC’lerin temel özellikleri şunlardır: üniform bir şekilde dağılmış gözeneklilik, istenmeyen kaba çıkıntı sınırlarının [89,94] olmaması ve eşit aralıklı dikey çatlaklar sağlayan gerilme toleransı [3,77].

EB-PVD, APS ve SPPS üç biriktirme yönteminin tümü ile biriktirilen kaplamaların termal döngüsel dayanıklılık testleri Jordan ve arkadaşları [90,91] tarafından incelenmiştir. SPPS kaplamaların, EB-PVD kaplamalardan 2.5 kat daha uzun kullanım süresine, aynı koşullar altında APS kaplamalardan ise, 1.5 kat daha uzun olduğu tespit edilmiştir. Bu testler sırasında, SPPS kaplamalarında dikey çatlaklar ve ultra ince splat taneleri sabit kalmıştır [90]. Gerçekleştirilen bazı çalışmalarda detaylı termal çevrim 4 mm kalınlığında bir SPPS kaplamanın ortalama termal döngü ömrünün 820 döngü olduğu bulunmuştur. Aynı şartlar altında, APS kaplaması 40 döngüden sonra hasara uğramıştır. SPPS kaplamaların daha uzun ömrü dikey çatlakların varlığına ve daha yüksek düzlem içi girinti-kırılma tokluğuna bağlanır [3].

Plazma sprey kaplamalarının temel hasar mekanizmaları arasında; termal genleşme uyumsuzluğu, TGO büyümesi, bağ kaplamanın döngüsel kayması, kırılgan oksitlerin (α-alümina hariç) oluşumu, metal seramik ara yüzündeki tokluğun bozulması, sinterleme, delaminasyon ve çatlamadır [3,89]. Bu mekanizmalardan biri veya daha fazlası, TBC’de meydana geldiği durumlarda hasara sebep olmaktadır. SPPS biriktirme yönteminin dezavantajları ise; zor çalışması ve kaplama sırasında altlık malzemenin sıcaklığının artmasıdır. Ek olarak, eğri yüzeyler ve karmaşık geometriler SPPS işleminde henüz mümkün değildir. Tekrarlanabilirlik ve kalite kontrolü bu yöntem için diğer önemli konulardandır [3].