Bağ kaplama

TBC sistemlerinde bağ kaplamanın iki temel görevi vardır. Bunlardan birincisi, seramik üst kaplama ile altlık arasında tutunmayı artırmaktır. İkinci görevi ise, üst tabakanın gözenekli yapısından dolayı gerçekleştiremediği alt tabakanın oksidasyon gibi kimyasal saldırılara karşı korunması görevidir [34,75].

Bağ kaplamaların ilk işlevini sürdürebilmesi için, termal genleşme katsayısı uygun bir malzeme seçilmesi sağlanmalıdır [65]. Böylelikle üst kaplama ve altlık arasında ısınma soğuma esnasındaki genleşme nedeniyle oluşan gerilmeler minimuma indirilmiş olur. Bağ kaplamaların konvensiyonel olarak genleşme katsayısı yüksek metal alaşımlardan üretildiği ve üst kaplamanın da düşük katsayılı seramiklerden üretildiği düşünülürse, termal genleşme katsayısı yüksek olan bağ kaplamaya ait katsayının düşürülmesiyle yüzeyler arası gerilmelerin düşmesi beklenmektedir [76]. Inconel 617 altlık malzeme üzerine üretilen NiCoCrAlY bir bağ kaplama ve YSZ üst kaplamaya sahip, konvensiyonel bir TBC sisteminin farklı tabakalarında ısıl iletkenlik ve genleşme katsayısının sıcaklıkla değişimi Tablo 3.2’de verilmiştir.

Tablo 3.2. TBC’nin farklı tabakalarında ısıl iletkenlik ve genleşme katsayısının sıcaklıkla değişimi [77]. Kaplama tabakası T, °C k, W/m.K α X 10^-6 , °C^-1 TBC 25 400 800 1000 1.05 9.68 …... 9.88 10.34 TGO tabakası 25 400 800 1000 25.2 5.1 ….. ….. 9.80 Bağ kaplama 25 400 800 1000 4.3 6.4 10.2 16.1 …... 12.5 14.3 16.0 Altlık malzeme 25 400 800 1000 11.5 17.3 23.8 …... 12.6 14.0 15.4 16.3

Üst kaplamaların gözenekli yapıları ve bu tabakada ki iyon difüzyonu, yüzeyde bulunan oksijenin alt tabakalara rahatça ulaşmasına olanak sağlamaktadır [78]. Bundan dolayı oksidasyon gibi kimyasal ataklara karşı altlığı korumak bağ kaplamanın görevidir. Bu işlevi yerine getirmek için bağ kaplama oksijenle temas eder ve üst kaplama ile ara yüzeyinde bir oksit tabakası oluşturur. TGO adı verilen bu tabaka 10 µm’dan daha ince olmakla birlikte bağ kaplamanın yüzeyinde servis koşullarıyla beraber kendiliğinden oluşmaktadır [64]. Bu tabakanın yapısının ve içeriğinin kontrolü sayesinde kimyasal ataklara karşı koruma sağlanmış olur. Bu duruma genel bir örnek, TBC’ler de koruyucu TGO alümina yüzey tabakasının oluşması ve üniform özelliğinin korunarak, yüksek sıcaklıkta oksidasyon ve korozyona karşı korunma sağlanmasıdır [79]. TGO'nun istenilen koruyucu özelliğini yerine getirebilmesinin ne kadar önemli olduğu hasar mekanizmaları bölümünde açıklanmaktadır. Bu bölümde anlatılan mekanizmalardan yola çıkarak bir TGO tabakasından ana istenilen özellikler; yüzeyde homojen dağılmış, sürekli ve yoğun bir α-Al₂O₃ tabakasından oluşmasıdır [42]. Böyle bir yapının içinde alümina dışında çeşitli spineller ve metalik oksitler bulunmaktadır. Fakat TGO'nun yapısında, zamanla α-Al2O3 dışında başka yapıların da oluşabildiği yapılan çalışmalarda gözlenmiştir [80]. MCrAlY bağ kaplama üzerinde oluşan TGO yapısı Şekil 3.5’de gösterilmektedir.

TGO'nun sürekli bir α-Al2O3 yapısından oluşmasının istenilmesinin nedeni bu yapıdaki tabakanın oksijen geçirgenliğinin düşük olmasıdır [42,81]. Oksijen geçirgenliği düşük olan tabakanın büyüme hızı da yavaş olacağı için, hasar mekanizmalarının tetiklenmesi de ertelenmiş olur. Bağ kaplamalarda malzeme seçimi de bu yukarıda sayılan özellikleri elde etmek amacına uygun olarak tasarlanmıştır. Ni bazlı süper alaşım altlıkları korumak için, genleşme katsayısı istenen oranda olan ve istenilen TGO'yu oluşturabilecek nitelikte malzeme özelliğine sahip, Al yönünden zengin Ni alaşımlar kullanılmaktadır. Bu alaşımlara Al dışında oksidasyona karşı korumayı artıracak Cr'da eklenmektedir. Cr2O3, bağ kaplama ara yüzeyinde oksijenin aktivitesini düşürerek, alaşım içerisine nüfuz etmesini engeller. Ayrıca Y elementinin eklentisi sayesinde, oksit tabakasının bağ kaplamaya yapışması da artış göstermektedir [5,82]. Konvensiyonel olarak TBC’ler de kullanılan bağ kaplama alaşımları MCrAlY kompozisyonundan oluşmaktadır [29].

Şekil 3.5. MCrAlY bağ kaplama ile zirkonya üst kaplama arasında oluşan TGO yapısı gösterimi [29].

Bir MCrAlY bağ kaplamanın mikroyapısı Şekil 3.6’da gösterilmektedir.

Şekil 3.6. NiCoCrAlY bağ kaplama yapılarının SEM görüntüleri; a. kaplama yapılmış hal ve büyütülmüş halde β ve γ-fazlarının gösterimi, b. 1423 K sıcaklıkta 10 saat oksidasyona tabi tutulduktan sonra oluşan mikroyapı [83].

Hasegawa ve arkadaşlarının NiCoCrAlY bağ kaplamaların oksidasyonu üzerine yapmış olduğu çalışmada, mikroyapılardan da görüldüğü gibi bağ kaplama üzerinde matriks ve çökelti olmak üzere iki faz bulunmaktadır [83].

β

γ

Koyu gri alan: β fazı Açık gri alan: γ fazı

Bu yapıdaki matriks, Ni/Co bazlı katı çözeltisidir ("γ-fazı"). Çökelti olan faz ise Ni ve Al intermetalik bileşiği olan "β-NiAl" fazıdır. "β-fazı" Al açısından zengin bir faz olmakla birlikte servis esnasında bu fazın içindeki Al yüzeye doğru nüfuz ederek TGO'yu oluşturacak alümina tabakasının oluşmasını sağlamaktadır [42,81,83]. Bağ kaplama olarak MCrAlY yapısının kullanılmasının, alüminit kaplamalara kıyasla oksit ve korozyona karşı direnci nasıl değiştirdiği Şekil 3.7’de ki grafikten görülebilmektedir [34].

Şekil 3.7. Çeşitli bağ kaplama malzemeleri için oksidasyon ve korozyon dirençlerinin gösterimi [34].

Brülörlü termal şok testi kullanılarak difüzyon yollu alüminit kaplamalar ile MCrAlY bağ kaplamaların reaktif elementlerin etkisi ile oksidasyon ömürlerinin kıyaslanması sonucu bulunan göreceli ömür grafikleri Şekil 3.8’de gösterildiği gibidir [29].

Altlığın alüminyum yüzdesini difüzyon yoluyla artırmak her ne kadar α-alümina oluşumunu tetiklese de TGO’nun yapışmasını artırmak, oksijen aktivitesini aşağıda tutmak, aşırı Al eklentisi nedeniyle sünekliği kaybetmemek, kükürt segregasyonu kaynaklı gevrekleşmeyi engellemek gibi amaçlarla Cr,Y ve Hf gibi elementlerinde Al’un yanında bağ kaplama alaşımı içerisinde bulunması gerekmektedir [15,29,70].

Buna benzer bir kompozisyon ayarlamasının difüzyon yoluyla yapılmasının ne kadar zor olduğu düşünüldüğünde, termal sprey yöntemleri kullanılarak MCrAlY bağ kaplama üretilmesinin nedeni daha iyi anlaşılabilmektedir.

Şekil 3.8. Bazı kaplamalara ait 1149 ºC’de, brülörlü termal şok testi sonrası oksidasyon ömürlerinin karşılaştırılması [29].