Metalik Bağ Kaplama

1960’lı yıllarda yapılan çalışmalarda yeni nesil Fe esaslı (Fe - %25 Cr - %4 Al - %1.0 Y) alaşımların termal çevrim davranışlarına karşı yüksek oksit içeriği göstererek dayanım sergilediği görülmüştür [39]. Oksidasyona karşı direnç sağlaması için seramik üst kaplama ve altlık malzemeyi birleştirmede metalik bir bağ kaplama

kullanılmaktadır. Genellikle oksidasyona dirençli MCrAlY tip kaplamalar bağ kaplama malzemesi olarak kullanılmaya başlanmıştır. İyi bağlama özelliği, bağ kaplamanın esas gerekliliğidir [40]. Seramik içerikli üst kaplama malzemesi yüksek oksijen geçirgenliğine sahip olduğundan, bağ-kaplama malzemesi de oksijenin alttaki metalik katmana ulaşmasını engellemelidir. Bağ kaplama içerisinde bulunan ekstra alüminyum, TBC’lerin kullanımı esnasında yüksek sıcaklıklarda alümina tabakası oluşturarak oksijen geçişini engellemektedir [41,42]. Metalik bağ kaplama aynı zamanda seramik üst kaplama ile altlık malzeme arasında mekanik bağlanma sağlayarak üst kaplamanın adezyonunu arttırmaktadır [39]. Bağ kaplama tabakasının kalınlığı, biriktirme yöntemine bağlı olarak 75-150 µm arasında değişmektedir. Ayrıca bağ kaplama TBC sistemlerinde kimyasal homojenlik sağlar ve α-Al2O3 dönüşümü

sayesinde sürünme direncini arttırmaktadır. Metalik bağ kaplama malzemesi, ısıtma ve soğutma çevrimleri sırasında ortaya çıkan ara yüzey ısıl streslerini azaltmak için üst kaplama malzemesi ile metalik alt tabaka arasında bir termal genleşme katsayısına sahip olmalıdır [43,44]. Bağ kaplamalar genellikle metalik tozlardan yapılır ve altlık malzemeye aynı zamanda dayanım da sağlar. Mükemmel sıcak korozyon direncine sahip CoCrAlY kaplamalar, süneklik gereksinimini karşılayamadıkları için, havacılık uygulamalarında artık yeterli olmamaktadır [15]. NiCoCrAlY içeriğine sahip kaplamalar ise, yeterli oksidasyon ve sıcak korozyon direncine ve olağanüstü sünekliğe sahiptir. Bu tip kaplamaların üstün sıcak korozyon ve oksidasyon direnci, içeriğindeki yitrium elementinin reaktif elementler karşısındaki büyüme hızının az olmasından kaynaklanmaktadır [3]. Ayrıca, yüksek Cr içeriği de, kaplama malzemesini sıcak korozyona karşı faydalı koruyucu kaplamalar durumuna getirmektedir. Toz içeriğinin metalik olmasından dolayı termal sprey kaplama yöntemleri olan APS, VPS, HVOF, D-gun yöntemlerinin neredeyse tümü ile üretilebilmektedir [15]. Ayrıca EB-PVD tekniği de bu tip metalik kaplama işlemleri için zaman zaman tercih edilmektedir [15,35]. Termal bariyer kaplama yöntemleriyle oluşan MCrAlY kaplamasının oksidasyonunu tamamen önlemek için, EB-PVD işlemi yüksek kaliteli kaplamalar için tercih edilebilir. Bununla birlikte, termal sprey yöntemleri genelde maliyetin önemli olduğu durumlarda tercih edilir. Kaplamalar aynı

kullanılarak kaplama ile altlık arasındaki interdifüzyonu en aza indirmek için daha farklı çalışmalar da yapılmıştır. Bağ kaplama için tercih edilen bir diğer malzeme, daha yüksek sıcaklıklarda daha iyi oksijen direncine sahip olan PtNiAl (Ni ve Pt modifiye alüminitler)’dir. PtNiAl bağ kaplama tabakası elektro kaplama veya kimyasal buhar biriktirme (CVD) ile biriktirilebilir. Bağ kaplama tabakasında en çok arzu edilen element alüminyumdur [15,45]. Oksijene karşı afinitesi yüksek olan bu element bağ kaplama içerisinde alümina tabakası oluşturarak oksijen ilerleyişini durdurur [46]. Bu sayede altlık malzeme oksidasyona karşı korunmuş olur. Ancak alüminyumun süneklik üzerindeki olumsuz etkisi sebebiyle bağ kaplama içerisindeki kabul edilebilir oran maksimum %6 olarak kabul edilmektedir [47]. Alüminyumdaki olumsuz etkiyi azaltmak için kaplama içerisine Cr ilavesi yapılmaktadır. Alüminyumdan sonra oksijene karşı afinitesi yüksek olan diğer element kromdur. Yapı içerisindeki Al’nin alüminaya dönüşmesinin ardından Cr’da Cr2O3yapısı oluşturmaya başlar ve oksijenin

altlığa geçmesini engeller. 900 °C’ye kadar krom yüksek sıcaklık bileşeni olan altlık malzemeyi sıcak korozyona ve oksidasyona karşı korur. Yoğun ve koruyucu bağ kaplama yapısı içerisine az miktarda yitria (Y) ilavesi de eklenmektedir. Özellikle NiCrAlY içerikli bağ kaplamalarda bileşim içerisindeki yitrianın varlığı ara yüzeyde oluşabilecek gevrekleşmeyi azaltmaktadır [15,48]. Genel olarak, TBC’lerle korunan türbin bileşenleri, yüksek sıcaklıklarda oksijen açısından zengin bir yanma ortamında çalışır. Bu çalışma ortamlarında TBC’lerde TGO tabakası oluşumu kaçınılmazdır. TGO’nun oluşumu kaçınılmaz olsa da, TGO’nun α-Al2O3’ü oluşturmasını ve

büyümesinin yavaş, tekdüze ve hatasız olmasını sağlamak için ideal bir bağ kaplama tasarlanmıştır. TGO’nun motor çalışması sırasında büyümesi, TBC’lerin hasar oluşum mekanizmasında sorumlu olan en önemli olgudur. Bundan dolayı, YSZ üst kaplama ve metalik bağ kaplama arasında oluşan TGO ölçeği, TBC’lerin dayanıklılığını önemli ölçüde etkiler. Bağ kaplama, esas olarak diğer oksitlerin tercih edilmesinde TGO olarak α-Al2O3’ün oluşumunu kolaylaştırmak için bir yerel Al kaynağı olarak

tasarlanmıştır. Ni-Al ikili sisteminin denge faz diyagramı Şekil 2.8’de gösterilmektedir. İkili faz diyagramına göre hangi sıcaklıklarda bu elementlerin bileşik oluşturduğu ve içeriği görülmektedir. Bu diyagram temel alınarak bağ kaplamaların içeriği belirlenmektedir. Genel olarak, β-NiAl’den oluşan (Ni, Pt) Al kaplamalar, uçak motoru uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. EB-PVD yöntemiyle üretilen seramik esaslı TBC sistemlerinde, istenen TGO özelliklerine sahip üstün bir

oksidasyon direnci, (Ni, Pt) Al bağ kaplama ile birlikte üretildiği durumlarda sağlanmaktadır [15,49–51].

Şekil 2.8. Ni-Al ikili sistemine ait faz diyagramını gösteren grafik [15].

Yüksek sıcaklıkta oksidasyon ve korozyona karşı koruma için yaygın olarak sınıflandırılan bu bağ kaplama malzemesi sistemlerinin etkinliğini gösteren bir şematik harita Şekil 2.9’da gösterilmiştir. Bu şekil, CoCrAlY kaplamalarının, NiCoCrAlY veya CoNiCrAlY ile karşılaştırıldığında oksidasyon direnci için daha az etkili olduğunu açık bir şekilde göstermektedir. MCrAlY-tip kaplamalardan hangisinin sıcak korozyona ve oksidasyona daha dayanıklı olduğunu Nichools ve arkadaşları yaptıkları çalışmalarda belirtmişlerdir [52]. Onların yaptığı çalışmada Pt ile modifiye edilmiş nikel alüminitlerin diğer bileşimlere göre hem korozyona hem de oksidasyona karşı en iyi dayanım sergilediği anlaşılmıştır [15].

Şekil 2.9. Yüksek sıcaklıklarda farklı bağ kaplama malzemelerinin oksidasyon ve korozyon direnci [4].