Farklı bağ kaplama teknikleriyle üretilen TBC’lerin, farklı sıcaklık ve zaman süreçlerinde gerçekleştirilen oksidasyon çalışmaları sonucunda TGO kalınlık değerleri elde edilmiştir. 2500 büyütmede çekilen, SEM mikroyapı görüntüleri üzerinden ölçümü gerçekleştirilen TGO tabakası kalınlık hesaplarında, numune başına dört mikroyapı resmi üzerinden ölçüm yapılmış ve her mikroyapı başınada ortalama 10 ila 20 arasında değişen ölçümler alınmıştır. Yapılan tüm ölçümler, TGO tabakasının sürekli olduğu ve bütünlüğünü koruduğu alanlar üzerinden gerçekleştirilmiştir. Bağ/üst kaplama ara yüzeyine paralel olarak uzanan TGO tabakasının, büyüme yönünden yani bağ kaplama yüzeyine dik noktadan ölçümler gerçekleştirilmiştir. TGO tabakasının üniform yapı içerisinde bütünlüğünü kaybettiği, üzerinde bölgesel ve hızlı olarak büyüyen spinel, kromat gibi karışık oksit bölümleri tepecik halinde oluştuysa ölçümlere dahil edilmemiştir. Aynı şekilde, özellikle APS kaplamalarda, ölçüm alınamayacak kadar süreksiz büyümüş oksit tabakaları da ölçümlere dahil edilmemiştir. Ölçüm metodunu temsil eden bir mikroyapı fotoğrafı ölçüm yapılan alanlarla beraber Şekil 7.42’de gösterilmektedir.
TBC sistemlerinin 1000 °C, 1100 °C ve 1200 °C sıcaklıklarda 8, 24, 50 ve 100 saatlik oksidasyon testleri sonrasında bulunan TGO tabakası kalınlıkları Tablo 7.6’da verilmektedir. TBC’lerin, oksidasyon süreçleri sonrasında oluşan TGO tabakasına ait kalınlık-zaman değişim grafikleri Şekil 7.43, Şekil 7.44 ve Şekil 7.45’de verilmiştir.
Şekil 7.42. TBC sistemlerine ait oksidasyon sonrası TGO tabakası kalınlık ölçümlerini gösteren mikroyapı resmi
Tablo 7.6. TBC’lerin 1000 °C, 1100 °C ve 1200 °C sıcaklıklarda ve 8, 24, 50 ve 100 saatlik oksidasyon testleri sonrası elde edilen TGO tabakası kalınlık değerleri (µm)
Süre (saat) APS-1000 °C CGDS-1000 °C HVOF-1000 °C
8 1,73 1,61 1,55 24 2,08 1,91 1,73 50 2,55 2,24 2,09 100 3,28 2,79 2,59 APS-1100 °C CGDS-1100 °C HVOF-1100 °C 8 2,34 2,11 1,91 24 2,92 2,62 2,26 50 3,35 3,02 2,71 100 4,27 3,66 3,37 APS-1200 °C CGDS-1200 °C HVOF-1200 °C 8 2,68 2,41 2,16 24 3,23 3,01 2,72 50 3,89 3,62 3,28 100 5,07 4,58 4,31
TBC’lere ait TGO tabakası kalınlık değişimlerinin her bir yöntem için ayrı ayrı grafikleri Ek A1, Ek A2 ve Ek A3’de verilmiştir.
Şekil 7.43. TBC’lerin 1000 °C sıcaklıktaki oksidasyon sonrası TGO tabakası kalınlık değişimleri
Şekil 7.45. TBC’lerin 1200 °C sıcaklıktaki oksidasyon sonrası TGO tabakası kalınlık değişimleri
TGO tabakasına ait gelişim parabolik olduğu zaman, Eşitlik 4.2 de verilen formülasyonun türevi zamana göre alındığında Eşitlik 7.5’de belirtilen formülü takip etmektedir [29].
kp=d(h2)/dt Eşitlik 7.5
Bu formülde; h TGO kalınlığını, kp parabolik hız sabitini, t ise zamanı temsil etmektedir. Yani, (h2 – t) grafiği üzerindeki eğim parabolik hız sabitini vermektedir. Tablo 7.7’de bu yöntemle 1000 °C, 1100 °C ve 1200 oC sıcaklıklarda test edilen TBC sistemlerine ait, TGO kalınlıkları için elde edilen hız sabitleri verilmektedir.
Tablo 7.7. Kaplama metodu ve sıcaklığa göre elde edilen hız sabiti değerleri
Hız Sabiti, kp ( µm2/saat )
Sıcaklık HVOF-TBC CGDS-TBC APS-TBC
1000OC 0,0476 0,0555 0,0844
1100OC 0,0836 0,0938 0,1344
Tablo 7.7’de verilen kp katsayısı sıcaklık ve aktivasyon enerjisine bağlı olarak bir Arhenius denklemi ile ifade edilebilir [29]. Buna göre kp katsayısının denklemi Eşitlik 7.6’da gösterilmektedir.
kp = k0 * exp (-Q/RT) Eşitlik 7.6
k0 değeri kalınlaşma için sıcaklıktan bağımsız bir sabit iken, Q parametresi TGO büyümesinde etkin olan mekanizmanın aktivasyon enerjisini göstermekte, R gaz sabitini ifade etmekte, T ise sıcaklığı göstermektedir. Yukarıdaki denklemin doğal logaritması alındığında Eşitlik 7.7’de verilen denklem elde edilmiş olur [29].
-ln (kp) = -ln(k0) * (Q/RT) Eşitlik 7.7
Bu denkleme göre TGO tabakası için -ln (kp) – (1/T) grafiği çizildiğinde, grafik üzerinde lineer doğrular elde edilir ve bunların denklemleri Eşitlik 7.8’de ki denklem ile tanımlanır.
y=mx+c Eşitlik 7.8
Burada y değeri “-ln(kp)” olurken, m yani eğim “Q/R” olur. Yani oluşan doğruların eğimi olan “Q/R”, gaz sabiti olan “R” ile çarpılırsa TGO oluşumunda etkili olan mekanizmanın aktivasyon enerjisi elde edilir. Yukarıda belirtilen yaklaşıma göre TBC sistemlerinde, bağ kaplamalar üzerinde oluşan TGO’ların “-ln (kp)” – “(1/T)” grafikleri ve oluşan doğruların eğimleri Şekil 7.46’da verilmektedir. Şekil 7.46’da verilen grafikteki dikkat çekilmesi gereken bir durum, grafik çizilirken kullanılan kp
değerlerinin aktivasyon enerjisini joule cinsinden bulmakta kolaylık sağlaması amacıyla µm2/saat olarak değil m2/saniye birimiyle alınmış olduğudur. Grafik üzerindeki çizgilerin eğimleri kullanılarak ve gaz sabiti “8,314 j/mol.K” alınarak belirlenen aktivasyon enerjisi değerleri her üç yöntem ile üretilen kaplama için Tablo 7.8’de verilmektedir.
Şekil 7.46. APS, HVOF ve CGDS TBC sistemleri için TGO’ya bağlı elde edilen -ln (kp) – (1/T) grafiği
Tablo 7.8. TBC sistemlerinin hesaplanan aktivasyon enerjisi değerleri
Kaplama Sistemi HVOF-TBC CGDS-TBC APS-TBC
Aktivasyon Enerjisi, (Q, kJ/mol)
88.8 83.4 67.4
7.8. Kaplamaların Oksidasyon Sonrası Nanoindentasyon Ölçümleri
APS, HVOF ve CGDS yöntemleri ile üretilen CoNiCrAlY bağ kaplama ve APS yöntemi ile üretilen YSZ üst kaplamaya sahip TBC’lerin 1200 °C sıcaklık ve 100 saatlik oksidasyon süresi sonucunda elde edilen bağ ve üst kaplamalarına ait nanoindentasyon ölçümleri sonrası elastik modül değerlerinin belirlenmesinde kullanılan yükleme-boşaltma eğrileri Şekil 7.47 ve Şekil 7.48’de gösterilmektedir. Testlerde uygulanan maksimum yük 100 mN’dur ve yükte tutma süresi 10 sn’dir. Bu grafikler kullanılarak yapılan hesaplamalar sonucunda elde edilen elastik modül değerleri Tablo 7.9’da verilmiştir.
Şekil 7.47. 1200 °C sıcaklıkta, 100 saat oksidasyon testi sonrasında bağ kaplamalardan elde edilen yükleme-boşaltma eğrileri; a. APS bağ kaplama, b. HVOF bağ kaplama, c. CGDS bağ kaplama
Şekil 7.48. 1200 °C sıcaklıkta, 100 saat oksidasyon testi sonrasında üst kaplamalardan elde edilen yükleme-boşaltma eğrileri; a. APS-TBC, b. HVOF-TBC, c. CGDS-TBC
Tablo 7.9. Oksidasyon testleri sonrasında bulunan bağ ve seramik üst kaplamalara ait elastik modül değerleri (E,GPa)
Kaplama Tabakaları Deneysel Çalışmalarda Bulunan Elastik Modül Değerleri (GPa)
APS HVOF CGDS
APS-YSZ Üst Kaplama 176 182 152