Havacılık, uzay sanayi, otomotiv sanayi ve gemicilik sanayisinde gaz türbinli motorlar gibi yüksek sıcaklık uygulamalarında enerji üretim verimliliğini ve ekonomisini geliştirme çabalarından kaynaklanan yüksek sıcaklık çalışma ortamının artan ciddiyeti, bu çalışma ortamlarının TBC’ler üzerinde oluşturduğu etkiyi araştırmayı zorunlu hale getirmiştir. Bu araştırmalar neticesinde, yüksek sıcaklık uygulamalarında TBC’lerde özellikle düşük kaliteli yakıtlardan gelen partiküllerden erimiş tortu kaynaklı hasarlar meydana geldiği görülmüştür. Yüksek düzeyde safsızlığa sahip olmayan ve uygun maliyetli alternatif yakıtların kullanılması, sıcak kesit türbin bileşenleri üzerinde biriken S, V, Na, Ca, K ve P bakımından zengin aşındırıcı bileşiklerin oluşumunu teşvik edebilir [2,35]. Bu safsızlıklar yüksek sıcaklıklarda tekrarlanan çalışma koşulları altında donma-çözülme eylemi ile birlikte TBC sistemi ile kimyasal etkileşim içerisine girer. Yüksek sıcaklık çalışma koşullarında bu birikintiler TBC sistemine yapışır, erir ve eritir. Sıcak korozyon olarak isimlendirilen bu hasar mekanizması TGO tabakasında meydana gelen oksidasyonu hızlandırdığı gibi metalik bağ kaplama ve süper alaşım altlık malzemeninde aşınmasına neden olmaktadır [23,38]. Bu hasar mekanizması yapı içerisinde çatlamalar, bozulmalar ve dökülmeler oluşturur. Hasar mekanizmasında bozulma ilk olarak seramik üst kaplamadan başlayarak diğer katmanlara doğru ilerler. Özellikle Na2SO4 ve V2O5
tuzlarının oluşturduğu bu hasar mekanizmasında üst kaplamadaki boşluklar ve porozitelerden içeri sızma olur. Kullanım esnasında sodyum ve vanadyum tuzları üst kaplamanın stabilize olmuş yapısını bozarak bağ kaplama ve altlığa doğru geçiş yapar. Geleneksel üst kaplama malzemesi olan YSZ esaslı TBC’lerde yakıt kirliliklerinden gelen Na2SO4, V2O5 ve NaCl gibi tuzlar çalışma koşullarında ergiyerek YSZ üst
kaplama malzemesiyle reaksiyona girer ve kısmen stabilize edilmiş zirkonyanın kararlılığını bozar. Tetragonal fazda stabil olan zirkonya kararlılığını kaybederek
Kaplama yüzeyinde hasara sebebiyet veren sıcak korozyon hasar mekanizmasında meydana gelen korozyon olayında yüksek sıcaklıklarda yüzeyde biriken ergimiş tuzlar eşitlik 1 ve 2 denklemlerine göre ilerlemektedir [2,130].
2NaCl + SO3 + H2O→Na2SO4 + 2HCl (g) (4.1)
4NaCl + 2SO2+ 2H2O + O2→ 2Na2SO4+ 4HCl (4.2)
Bu denklemlerden yola çıkarak sodyum klorür ve kükürdün reaksiyona girmesiyle sülfat oluştuğu görülmektedir. Oluşan bu sodyum sülfat bileşiği kaplama yüzeyinde birikmektedir. Yaklaşık olarak 885 °C ergime sıcaklığına sahip olan sodyum sülfat bileşiği artan sıcaklıkla birlikte ergimeye devam ederek kaplama yüzeyindeki boşluk ve porozitelerden içeriye sızar. İç kısımlara inen ergiyik, elektrokimyasal reaksiyonların oluşmasını sağlar. Daha düşük sıcaklıklarda dahi nikel ve demir esaslı bağ kaplamalar ve altlıklar ile anodik reaksiyonlar oluşmasını sağlayarak TBC sistemlerinde çok ciddi hasarlar oluşmasına sebebiyet vermektedir. Şekil 4.2’de yaklaşık olarak 1000 °C’de TBC sisteminde meydana gelmiş olan sıcak korozyon hasarının taramalı elektron mikroskobundan alınmış üst yüzey görüntüsü verilmiştir.
Şekil 4.2. TBC numunesinin sıcak korozyon testinden sonra 1.00 kx büyütmede üst yüzey görüntüsü [2].
Sıcak korozyon hasar mekanizması yüksek sıcaklık sıcak korozyonu ve düşük sıcaklık sıcak korozyonu şeklinde tip 1 ve tip 2 olarak ikiye ayrılarak incelenmektedir. Bu iki tip sıcak korozyonun gelişimini alaşımın kompozisyonu, alaşımın termo-mekaniksel durumu, yakıt içerisindeki kirleticilerin kompozisyonu, hava akımın hızı, sıcaklık, sıcaklık çevrimi, gaz kompozisyonu ve gaz hızı, ve erozyon gibi çeşitli parametreler etkileyebilir [2,37].
4.6.1. Tip I Sıcak Korozyon (Yüksek Sıcaklık Sıcak Korozyonu)
850 °C’nin üzerinde gerçekleşen sıcak korozyon olayı yüksek sıcaklık sıcak korozyonu (tip 1) olarak isimlendirilmektedir. Bu tip korozyon üst yüzeydeki alkali metallerin ergimesiyle başlar. Sıralı olarak bir dizi kimyasal etkileşimin ardından altlık malzeme içerisindeki koruyucu oksit film tabakası oluşturan kroma kadar reaksiyonlar ilerler. Kromun tükenmesinin ardından malzeme oksidasyona uğrayarak rijitliğini tamamen yitirir. Tip 1 korozyonunda baskın tuz Na2SO4’tür. Genelde sodyum kaynağı
deniz atmosferi olmasına rağmen yakıtlardaki bazı emprüteler de sodyum kaynağı olarak davranmaktadır. Yüksek sıcaklıktaki yanma esnasında sodyum sülfat, sodyum ve sülfürün reaksiyonu neticesinde oluşmaktadır. Yakıt içerisindeki fosfor, kurşun ve vanadyum gibi elementlerde tuz karışımına dahil olarak sodyum sülfat ile birleşir ve daha düşük sıcaklıklarda dahi korozyon oluşumunu sağlarlar [2,130].
Yakıt içerisindeki kurşun, vanadyum, fosfor ve klor gibi elementler sodyum ile birleştiği durumlarda sodyum klorüre (NaCl) dönüşebilmektedir. NaCl’nin ergime sıcaklığı yaklaşık 620-630 °C gibi düşük değerlerde olması TBC’de oluşabilecek hasarların miktarını arttırmaktadır. Benzer şekilde yakıt içerisinde bulunan potasyum elementi de potasyum sülfat (K2SO4) yapısı oluşturacağından NaSO4’e benzer
hasarları da TBC’de oluşturabilir. Bu sebepten dolayı TBC’lerde oluşabilecek hasarların tahmin edilebilmesi için yakıt içerisindeki potasyum ve sodyum miktarının tamamının belirlenmesi gerekir.
halinde olan sıcak bileşim parçaları yüksek sıcaklıklarda hasara uğrarlar. 535-550 °C gibi sıcaklıklarda sıvı faza geçen vanadyum bileşikleri sodyum sülfat bileşikleri ile de reaksiyon vererek yapı içerisinde daha fazla saldırgan ortamlar oluştururlar.
Tip-1 sıcak korozyonu incelendiğinde 4 aşamadan oluşur. Bu aşamalar aşağıda şu şekilde özetlenmiştir:
• İlk olarak, yüksek sıcaklık sıcak korozyonu TBC’lerin üst yüzeyinde yani seramik üst kaplamanın bazı bölgelerinde oksit büyümelerine ve bölgesel kırılmalara sebebiyet vererek başlar. Bu kısımda mekanik olarak bir bozulma görülmediği gibi yapı içerisindeki krom miktarında da azalma meydana gelmez.
• İkinci kısımda bölgesel kırılmalar devam ederken üst kaplamanın yüzey bölgesindeki pürüzlülük artar ve daha belirgin bir hal alır. Mekanik bütünlük bozulmazken TBC’deki krom tükenmeye başlar.
• Üçüncü kısımda koruması gereken ana malzemede ciddi korozyon ve oksidasyon hasarları oluşmaya başlar. TBC sistemleri bu evreden sonra yavaş yavaş kullanımdan kaldırılmalı veya tamiri gerçekleştirilmelidir.
• Üçüncü evrede eğer, TBC sistemleri kullanımdan kaldırılmaz ise, sıcak korozyon olayı devam edeceğinden korozyon olayı dördüncü evreye geçer, sıcak bileşen parçaları çok yüksek düzeyde korozyona uğrar ve parçaların geri dönüşümü ve tamiri bu evreden sonra mümkün değildir. Tehlikeli sonuçlar doğurmaması açısından bu evreye ulaşılmadan TBC’ler kesinlikle kullanımdan kaldırılmalı veya tamiri yapılmalıdır.
Tip-1 sıcak korozyonunda meydana gelen hasarı gözle dahi belirlemek oldukça mümkündür. Korozyon olayı oluştuğunda parça yüzeyinde soyulmalar ve nikel oksit oluşumundan kaynaklanan renk değişimleri görülmektedir [130].
4.6.2. Tip II Sıcak Korozyon (Düşük Sıcaklık Sıcak Korozyonu)
Bu tip sıcak korozyon türü genellikle 600-800 °C arasında meydana gelir. Na2SO4 ve
CoSO4 bileşiklerinin ötektik ergime sıcaklığı olan 550 °C’nin üzerinde tipik bir
korozyon ürünü olarak SO3gazları oluşur. Aynı şekilde Na2SO4 ve NiSO4 bileşikleride
yanma ürünü olarak SO3 oluşturarak düşük sıcaklık sıcak korozyonunu oluştururlar.
Nikel esaslı alaşımlarda meydana gelen bu korozyonda açığa çıkan SO3 gazının ise
kısmi basıncı yüksek sıcaklık korozyonu ile düşük sıcaklık korozyonunu kıyas etmek için kullanılmaktadır. Tip 1 korozyon türünün oluşum evresi 4 kısıma ayrılırken düşük sıcaklık sıcak korozyonunu bu şekilde kısımlara ayrılmamaktadır. Krom tükenmesi veya kuluçka evresini gözle görmek mümkün değildir [2,37,130].