Teorik Çalışmalar

Isı geçiş problemlerinde ısı iletim katsayısı önemli rol oynamaktadır. Birçok endüstriyel uygulamada, malzemeler öncelikle mekanik ve ısıl özellikleri dikkate alınarak seçilmektedir. Havacılık, enerji üretimi ve otomobil endüstrisinde metal ya da seramik matrisli kompozitler ve gözenekli seramik ısıl engelleme kaplamaları daha gelişmiş parçalar üretmek için yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Özellikle yeni nesil gaz türbinlerinin sıcak bölge parçaları (yanma odaları, türbin kanatları vb.) seramik ısıl engelleme kaplamaları ile sıcak gazlara (> 1300 °C) karşı korunmaktadır (Cernuschi, et al., 2004).

Đnce tabaka halindeki ısıl engelleme kaplamaları, motor parçalarında metalik bileşenlerin çalışma sıcaklıklarını azaltmak, çevresel korumaları artırmak ve bu parçaların çalışma ömrünü artırmak için uygulanmaktadır. Kaplama boyunca sıcaklık düşüşü kaplamanın ısı iletim katsayısı tarafından kontrol edildiği için bu termofiziksel özellik son derece önemlidir.

Isı iletimi, aynı katı, sıvı ya da gaz ortamındaki farklı bölgeler arasında veya doğrudan fiziki temas durumunda bulunan farklı ortamlar arasında, moleküllerin fark edilir bir yer değiştirmesi olmaksızın, doğrudan teması sonucunda oluşan ısı yayınımı işlemidir. Bir maddenin sıcaklığı bu maddeyi meydana getiren moleküllerin ortalama kinetik enerjileri ile orantılıdır (kinetik teori). Ortam içerisinde bir bölgede sıcaklığın yüksek olması o bölgedeki moleküllerin ortalama kinetik enerjilerinin yüksek olduğunu gösterir. Ortalama kinetik enerjileri yüksek olan moleküller, enerjilerinin bir kısmını, ortalama kinetik enerjileri küçük olan komşu bölgedeki moleküllere iletirler. Đletme

olduğu varsayılabilir (Yüncü ve Kakaç, 1999).

Isı iletiminin esas kanunu Fransız bilim adamı Fourier tarafından 1822’de ortaya konulmuştur. Bir doğrultuda, bu doğrultuya dik birim alandan birim zamandaki iletimle ısı geçişi bu doğrultudaki sıcaklık gradyeni ile doğru orantılıdır. Buna göre, bir n olur. Buradaki orantı katsayısı maddenin bir özelliğidir ve ısı iletim katsayısı adını alır.

buna göre Fourier kanunu;

n

şeklinde yazılır (Öztürk ve Yavuz, 1995).

Maddenin mikroskopik yapısına bağlı olarak ısı iletim katsayısı farklı maddeler için geniş bir aralıkta değişir. Özellikle malzemenin gözenekli yapıda olmasına ve içindeki nem miktarına göre farklılık gösterir (Öztürk ve Yavuz, 1995). Gözeneklilik oranı boyutsuz bir büyüklük olup toplam boşluk hacminin toplam hacme oranıdır.

Böylece;

T g

v

P = v (3.14)

olarak ifade edilir.

Gözeneklerin bulunmadığı katı hacimde ise;

T

şeklinde yazılır. Burada v_M katı fazın toplam hacmidir (Kaviany, 1998).

Gözeneklilik, mutlak gözeneklilik ve etkin gözeneklilik olmak üzere iki grupta toplanabilir. Mutlak gözeneklilik, gözenek ilişkileri düşünülmeksizin kaba hacme göre oransal boşluk hacmidir. Etkin gözeneklilik ise kaba hacimde birbirleriyle ilişkili boşlukların meydana getirdiği orandır (Whitaker, 1977).

Bir gözenekli katı, yoğun katı iskelet ve hava tarafından meydana gelen iki-fazlı sistem gibi düşünülebilir. Efektif ısı iletim katsayısı, bu karmaşık sistem boyunca ısı geçişiyle tanımlanmaktadır. Gözenekli kaplamanın efektif ısı iletim katsayısına, gözeneklilik seviyesinin etkisini bulmak için kullanılan ifadelerde kaplamanın efektif ısı iletim katsayısı kef, yoğun (gözeneksiz) malzemenin ısı iletim katsayısına (km), gözeneklilik oranına (P) ve gözenek geometrisine bağlıdır (Klemens, 1991; Dutton, et al., 2000). Şekil 3.6’da farklı yapıdaki gözenek sistemleri verilmiştir.

Şekil 3.6. Đki fazlı malzemede faz yapıları a) tabakalı yapı b) düzgün dağılımlı yapı

c) rasgele dağılımlı yapı (Richerson, 1992).

Şekil 3.6.a’ da iki farklı fazın paralel tabakalarından oluşan modelin ısıl iletkenliği, her bir fazın ısıl iletkenliğine ve ısı akışının yönüne bağlıdır. Eğer ısı geçişi faz eksenine paralel ise malzemenin efektif ısı iletim katsayısı kef karışım kuralına göre,

g

hesaplanır. (Baysal, 2001; Hasselman, et al., 1993).

Isı geçişinin gözeneklere dik olduğu durum için ısı iletim katsayısı,

g katı matris içindeki gözenek fazlarının dağılımıyla ilgili mikro yapının geometrik olarak basitleştirilmesini esas almaktadır. Gerçek mikro yapı için bir yaklaşımın uygunluğu, seçilen modelin doğruluğunu tanımlamaktadır.

Maxwell (1892) genelleştirilmiş iletim prensiplerinin kullanımına yönelen ve kullanılmasını belirten ilk kişidir. Matris içine dağılarak dahil edilmiş küresel formdaki ikinci faz için efektif ısı iletim katsayısını hesaplamıştır.



Bu bağıntı gözeneklilik oranı düşük sistemler için uygulanabilir. Parçacıklar arasındaki geniş boşluk boyutlarının parçacık boyutlarına benzer olduğu kabul edilmiştir (Carson, et al., 2005).

Rayleigh 1892 yılında iki boyutlu kare matris içinde disk biçimli ikinci faza sahip malzemenin efektif ısı iletim katsayısını,

( )

biçiminde vermektedir (Grandjean, et al., 2006).

Russel (1935) ise matris içine kübik formda dağılmış ikinci faz için efektif ısı iletim katsayısını tanımlamıştır. Denklem (3.20) ve (3.21)’deki Hashin ve Shtrikman (1962) ifadeleri, sürekli matris içine yerleştirilmiş küresel fazların (inclusions) bulunduğu iki-fazlı sistem için efektif ısı iletim katsayısını sınırlayıcı üst ve alt limitleri vermektedir (Şekil 3.6.a ve b). Sadece üst limit Maxwell ifadesine uymaktadır.

)

(a) (b) Şekil 3.7. Analitik modellerde kullanılan mikro yapıların şematik gösterimi (a) Hashin

Shtrikman üst limit HS+ (b) Hashin Shtrikman alt limit H -. (Nait-Ali, et al., 2006).

Bruggeman (1935) yaptığı çalışmada, birbirine bağlanmış iki fazın efektif ısı iletim katsayısını hesaplamada uygulanabilecek ve “efektif ortam” kavramını kullanan bir denklem önermiştir (Nait-Ali, et al., 2006). Bu yaklaşımda iki faz birbirinin yerine geçebilir roller oynamaktadır. Landauer (1952), gerçekte Bruggeman denkleminin çözümüne uygun Denklem (3.22) ile verilmiş pratik bir ifade türetmiştir. Bu yaklaşım

“Efektif Ortalama Süzülme Teorisi” (Effective Medium Percolation Theory, EMPT) olarak adlandırılmaktadır.

Schulz (1981), elips şekilli gözenekler ve bunların dağılımlarına yönelik faktörleri içeren yalıtılmış fazlar için bir ifade geliştirmiştir. Bjorineklett ve arkadaşları (1994) çok ya da az birbirine bağlanmış elips şekilli gözenekler için Bruggeman ifadesini genişletmişlerdir. Bu son model özellikle ince kolonsal şekilli ve ısı akış yönüne dik olarak yönelmiş gözeneklerin bulunduğu kaplamalar içindir. Yüksek

gözenekliliğe sahip malzemelerde analitik modelin seçimi düşük gözenekliliğe sahip (<%20) malzemelere göre daha kritiktir (Nait-Ali, et al., 2006).

Cernuschi ve arkadaşları (2004) Atmosferik Plazma Sprey kaplamanın ısı iletim katsayısını modelleyerek deneysel sonuçlarla karşılaştırmışlardır. Modellemede gözenek şekli, düzeni ve hacimsel oranlarını ele almışlardır.

Fu ve arkadaşları (1998), iki farklı birim hücre için efektif ısı iletim katsayısını hesaplamışlar, deneysel ve literatürdeki ampirik ifadeler ile karşılaştırmışlardır. Đlk birim hücre içerisinde kübik şekilli bir gözeneğin bulunduğu bir küp, ikinci birim hücre ise ortasında küresel gözenek bulunan küp şeklindedir. Kübik model için yapılan analizlerin ampirik ifadeler ile uyumlu olduğu gözlenmiştir.

Singh ve arkadaşları (1998), iki fazlı sistemde efektif ısı iletim katsayısını düzenli üç boyutlu basit kübik bir geometri için incelemişlerdir. Yapmış oldukları analizlerde, birinci durumda tüm gözeneklerin kübik şekilli olduğu, ikinci durumda ise tüm gözeneklerin küresel olduğunu kabul etmişlerdir. Küresel şekilli gözenek sistemi için elde ettikleri çözümlerin kübik şekilli gözenek sistemine göre daha iyi sonuç verdiğini tespit etmişlerdir.

Samantray ve arkadaşları (2006), iki fazlı malzemelerin efektif ısı iletim katsayılarını hesaplamak için türetilmiş ifadeleri incelemişlerdir. Gözeneklilik oranının düşük olduğu yapılar için Maxwell ifadesini, daha fazla olduğu değerler için Bruggeman, Raghavan, Hashin-Shtrikman ifadelerini kullanmışlardır. Đki fazlı sistemlerin boyutsuz ısı iletim katsayısının (kef/km) en başta (kg/km) ısı iletim katsayıları oranı ve malzeme içerisindeki gözeneklerin hacimsel yoğunluğuna bağlı olduğunu görmüşlerdir.

plazma-sprey yöntemi olan tabakalı “Solution Precursor Plasma Spray” (SPPS) ve Atmosferik Plazma Sprey kaplamalar için 100-1000°C için elde edilen deneysel sonuçlar ile karmaşık malzemelerin davranışlarını anlamayı temel alan, malzeme verileriyle mikro yapı formundaki verileri birleştiren yeni bir sonlu eleman yaklaşımı olan OOF (An Image-Based Finite Element Analysis of Material Microstructures) programını kullanarak elde edilen sonuçları kıyaslamışlardır. Tabakalı SPPS kaplamaların ısı iletim katsayılarının APS kaplamalara göre daha düşük olduğunu ve OOF analizinden elde edilen sonuçların deney sonuçlarına yakın olduğunu görmüşlerdir. Bolot ve arkadaşları (2005) ısıl engelleme kaplamalarında gözeneklerin ve çatlakların ısı iletim katsayısına etkisini incelemişlerdir. Yazdıkları bir program ile mikro yapı görüntüsünü okutarak analizini yapacakları geometriyi oluşturmuşlardır.

Oluşturdukları bu geometride ısı geçişini hesaplamak için sonlu elemanlar metodunu kullanarak SOR yöntemiyle çözüm yapmışlar ve mikro yapı görüntülerinin çözünürlüğünün çözüm sonuçlarını etkilediğini görmüşlerdir.

Elektrik yalıtımı, erozyon ve korozyon koruyucu kaplamalar gibi ana malzeme üstüne kaplamanın bulunduğu ısıl engelleme kaplamalarının kullanımı gelişen teknolojiyle birlikte artmaktadır. Çünkü bu sistemler farklı ısıl şartlar altında çalışmaktadır. Artan ilgiyle birlikte bu sistemlerin ısıl özelliklerinin ve ısıl temas direncinin bilinmesi oldukça önemlidir. Hohenauer ve Vozár arkadaşları (2001) ısı iletim katsayısını belirlemede yaygın bir şeklide kullanılan Lazer flaş metoduyla iki-üç katmanlı sistemlerin ölçümünü ele almışlardır. Bu teoride, katmanlar arasında ideal ısıl temasın (sıfır ısıl temas direnci) olduğu kabul edilmiştir. Bir tabakanın ısıl yayılım katsayısını belirlerken konuyla ilgili özelliklerin yanında (yoğunluk, özgül ısı ve tabakaların kalınlıkları) diğer tabakaların da ısıl yayılım katsayılarının bilinmesi

gerekmektedir. Bu çalışmada ayrıca bilinen ısıl yayılım katsayısındaki hatanın bilinmeyen ısıl yayılım katsayısındaki hataya etkisi analiz edilmiştir.

Alpérine ve arkadaşları (1997), EB-PVD yöntemi ile kaplanmış bir gaz türbini motorun yüksek basınç türbin palesini ele alarak ve iki-boyutlu sonlu eleman analizini yapmışlardır. Đç kısımda soğutucu akışkanın ısıl değişimlerini Navier-Stokes denkleminden hesaplamışlardır. Çözümün ikinci aşamasında, palenin her iki yüzeyinde sıcak ve soğuk gaz sıcaklıkları bu çözümlerden elde edilmiş ve sınır şartı olarak uygulanarak Fourier denkleminin kullanımıyla her düğüm noktasındaki sıcaklık değerleri hesaplanmıştır. Çözüm sonucunda, kaplamanın metale etki eden sıcaklığı yaklaşık 84°C düşürdüğü bulunmuştur.

Seramik kaplamaların ısı iletim katsayısı, kendisini oluşturan bileşenlere ait ısıl iletim katsayısına ve kaplama yapısına (gözenekler ve çatlaklar) bağlı olarak değişmektedir. Dorvaux ve arkadaşları (1997) kısmi yitriya takviyeli plazma sprey zirkonya (YPSZ) kaplamanın dijital resimlerini kullanarak sonlu farklar metoduyla modellemişlerdir. Modellemede gözenekleri, yatay ve dikey mikro çatlakları ayrı ayrı ele alarak ısı iletim katsayısına etkilerini incelemişlerdir. Isı geçiş yönüne dik yatay mikro çatlakların efektif ısı iletim katsayısını düşürmede önemli rol oynadığını görmüşlerdir.

Lazer- flaş ölçüm yönteminde, parametreler (ısıl yayılım katsayısı, ısı kaybı gibi) doğrudan ölçülememekte olup, bu parametreler daha önce ölçülmüş sıcaklık artışı ile kıyaslanmakta ve hesaplanmış eğrideki parametrelerin değişimiyle itere edilerek belirlenmektedir. Bugüne kadarki analitik çözümler tamamen bu iterasyon işlemi için kullanılmıştır. Schmitz ve arkadaşları (1999), lazer flaş ölçümlerinde kullanılan analitik ifadelere alternatif olarak ısı iletim denklemlerinin nümerik olarak çözmüşlerdir.

Grandjean ve arkadaşları (2006), MnO2 ince seramik kaplamanın gözenek oranının ısıl iletkenliğe etkisini sonlu elemanlar metodu kullanarak incelemişlerdir.

analitik çözümler için gözenekleri dairesel ve elips şekilli gözenekler olarak, üç boyutlu çözümlerde ise küre ve elipsoidal gözenekler olarak ele almıştır. FEM analizi sonuçlarının, gözenek şekli, dağılımı ve matris malzemenin ısı iletim katsayısından etkilendiği belirlemiştir. Analitik olarak hesaplanan iki boyutlu ısıl iletkenlik değerlerini kullanarak üç boyutlu ısıl iletkenlik değerinin elde edilebileceği bir ifade elde etmiştir.

BÖLÜM 4

APS KAPLAMALARIN EFEKTĐF ISI ĐLETĐM KATSAYISININ DENEYSEL TAYĐNĐ

Bu tez çalışmasında Atmosferik Plazma Sprey kaplamanın efektif ısı iletim katsayının tayininde; öncelikle kaplama yapılan 321 paslanmaz çeliğin ısıl yayılım katsayısının sıcaklığa göre değişimi ölçülmüş ve daha sonra k =α.ρ.C_p ifadesinden ısı iletim katsayısı değerleri elde edilmiştir.

Isıl engelleme kaplamasının ısı iletim katsayısı ise, mukayese metodu ile ölçüm yapılan deney düzeneğinde, hem referans malzemesi hem de ana malzeme olarak kullanılan çeliğin ısı iletim katsayı değerlerinden yararlanılarak hesaplanmıştır.

4.1. Numunelerin Hazırlanması ve Özellikleri

Deneysel çalışmalarda kullanılmak üzere iki farklı numune tipi hazırlanmıştır.

Lazer flaş yönteminde kullanılmak üzere, silindir şeklindeki 321 paslanmaz çelik bir çubuktan 12.7 mm çapında ve sırasıyla 4.29 – 4.35 ve 4.21 mm kalınlıklarında numuneler hazırlanmıştır. Çubuk malzemeden tornalama işlemi ile düzgün bir şekilde kesilen numuneler daha sonra zımparalama işlemine tabi tutularak yüzeyleri hassas bir şekilde düzgünleştirilmiştir. Numunelerin yoğunlukları, ağırlık ve hacim oranı kullanılarak hesaplanmıştır.

Mukayese yönteminde kullanılmak üzere hazırlanan numuneler 321 paslanmaz çelik üzerine % 8 yitriya takviyeli zirkonyum oksit (8YSZ) esaslı kaplama yapılarak elde edilmiştir. Kaplama işleminden önce hazırlanan 113 mm çapındaki disk şeklindeki paslanmaz çeliklerin yüzeyleri pürüzsüz hale getirilmiş ve kalınlıkları ölçülmüştür.

Kaplama sonrasında ölçülen toplam kalınlıktan, ana malzemenin kalınlığı çıkarılarak

iletkenlik açısından istenen bir özellik olmasına rağmen malzeme dayanımını azaltmaktadır. Yüksek gözeneklilik oranı nedeniyle kaplama daha kırılgan bir hal almaktadır.

Çizelge 4.1. Deney numunelerine ait parametreler

Numune No

Kaplama Kalınlığı (mm)

Ana Malzeme Kalınlığı (mm)

Atılma Mesafesi (mm)

1 0.530 9.910 177.8

2 0.550 9.960 152.4

3 0.545 9.830 127.0

4 0.500 9.955 101.6

Ana malzemeler kaplama işlemi öncesinde 250˚C’nin altındaki fırında 1 saat süresince yüzeyindeki nemden arındırılması amacıyla ısıl işleme tabi tutulmuştur.

250 °C sıcaklıkta yapılan ısıl işlem, çeliğin mikro yapısında herhangi bir değişiklik meydana getirmemekte olup, ısıl iletim katsayısını değiştirmemektedir.

Kaplama işleminde püskürtülen eriyik haldeki kaplama ile gaz karışımının sıcaklığı 10.000 ˚C’nin üzerindedir. Kaplama püskürtülmesi esnasında çeliğin ısıtılmamasının nedeni, çeliğin yumuşamaması, daha düzgün ve istenilen şekilde

kaplama elde edilmek istenmesidir. Şekil 4.1’de hazırlanmış olan numunelere ait resimler gösterilmiştir.

Şekil 4.1. Mukayese yöntemiyle ölçüm yapmak için hazırlanmış numuneler.

4.2. Lazer Flaş Metodu ile Çeliğin Isı Đletim Katsayısının Tayini

Lazer flaş yönteminde, malzemelerin ısıl yayılım katsayısının sıcaklığa göre değişimi ölçülmektedir. Ölçüm yapılan malzemenin ısı iletim katsayısının hesaplanabilmesi için, malzemenin yoğunluğunun ve özgül ısı değerlerinin bilinmesi gerekmektedir. Buna göre ısı iletim katsayısı;

Cp

k =α.ρ. (4.1)

denklemi ile ifade edilmektedir.

Çeliğin ısıl yayılım katsayısının ölçülmesinde Anadolu Üniversitesi, Malzeme Mühendisliği Bölümünde bulunan Netzsch marka LFA-457 Lazer flaş cihazı kullanılmıştır. Şekil 4.2’de LFA-457 cihazının şematik gösterimi verilmektedir.

Şekil 4.2. LFA-457 Lazer flaş test düzeneği (http://www.netzsch-thermal-analysis.com).

Sistemde kısa lazer dalgaları numunenin alt yüzeyine uygulanarak lazer enerjisi sayesinde sıcaklığı artırılmaktadır. Numunenin diğer yüzeyinde meydana gelen sıcaklık artışı, InSb (Đndiyum-Antimuan) dedektör ile kaydedilmektedir. Soğutma amacıyla genellikle sıvı azot kullanılmaktadır. Dedektör sisteminin sıcaklığı ise ısıl çift kullanılarak kontrol edilmektedir.

Lazer flaş cihazı yüksek sıcaklıklarda ısıl yayılım katsayısını ölçebilme imkanına sahiptir. 321 paslanmaz çelik için bu cihazdaki ölçümler oda sıcaklığı ile 900ºC aralığında yapılmıştır. Ölçüm amacıyla 3 adet numune hazırlanmış ve elde edilen ısıl yayılım değerlerinin ortalamaları alınmıştır. Şekil 4.3’te numunelerin deney düzeneğine yerleştirilmiş görüntüleri verilmiştir.

Şekil 4.3. LFA-457 cihazına yerleştirilmiş numunelerin görünümü.

Deney öncesinde numuneler, ön yüzeylerinde absorbsiyonu, arka yüzeylerinde ise emisiviteyi artırmak için karbonla kaplanmaktadır. Ancak karbon kaplama, malzemenin ısıl yayılım katsayısının ölçülmesinde sonucu etkileyecek herhangi bir etkide bulunmamaktadır.

Ölçüm sonucunda elde edilen çeliğin ısıl yayılım katsayısı değerleri Şekil 4.4’te verilmiştir.

0 1 2

0 200 400 600 800 1000

T(°C)

Şekil 4.4. Çelik numunelerin sıcaklığa göre ısıl yayılım katsayısı değerleri.

Kaplama işlemlerinde ana metal olarak kullanılan çeliğin ısıl yayılım katsayısı, sıcaklığa göre ölçüldükten sonra Denklem (4.1) kullanılarak ısı iletim katsayısı değerleri hesaplanmıştır. Şekil 4.5’te 321 paslanmaz çeliğin ısı iletim katsayısının sıcaklığa göre değişimi verilmiştir. Hesaplanan bu ısı iletim katsayısı değerleri daha sonra mukayese metodunda Atmosferik Plazma Sprey kaplamanın ısı iletim katsayısını hesaplayabilmek için kullanılmıştır.

α ( m

0 5 10 15 20 25

0 200 400 600 800 1000

T (°C)

k (W/mK)

Şekil 4.5. Çelik numunelerin sıcaklığa göre ısı iletim katsayısı değerleri.

4.3. Mukayese Metoduna Göre Isı Đletim Katsayısının Tayini

Mukayese metodunda numunenin ısı iletim katsayısı, bu özelliği bilinen referans bir cisim kullanılarak tayin edilir. Numune ve referans cisim, ısı kaynağı ve ısı çukuru arasına yerleştirilerek sıcaklık farkı oluşturulur. Çevreye karşı ısı yalıtımı sağlanmış bu sistemde, numune ve referans cisimden geçen ısı enerjisi miktarı aynı olmaktadır.

Numune ve referans cismin, alt ve üst yüzey sıcaklıkları ölçülerek ve referans cismin ısı iletim katsayısından yararlanılarak, iletilen ısı enerjisi miktarı tespit edilir. Bu şekilde belirlenen ısı enerjisi miktarı kullanılarak numunenin ısı iletim katsayısı tayin edilmiş olur. Bu prensibe göre oluşturulmuş deney sisteminin resmi Şekil 4.6’da verilmiştir.

Resimde deney sistemini oluşturan yağ haznesi, ölçme düzeneği, referans sıcaklık malzemesi, sıcaklık ölçer, voltaj regülatörü ve ampermetre ayrı ayrı görülmektedir.

Şekil 4.6. Mukayese yöntemiyle ölçüm yapılan deney sistemi.

Numune, referans cisim ve deney sistemindeki tüm elemanlar 100 cm² alanında olup, silindirik yapıdadır. Deney sisteminin en üstünde yağ deposuna bağlı ve pompa yardımıyla termal yağ dolaşımı sağlanan bir ısı çukuru bulunmaktadır. Isı kaynağı olarak bir elektrikli direnç kullanılmıştır. Numune, referans cisim ve sıcaklık ölçme plakaları, ısı çukuru ve ısı kaynağı arasına yerleştirilmiştir. Numune ile referans cismin alt ve üst yüzey sıcaklıkları, merkezine termoeleman yerleştirilmiş 1 cm kalınlığında disk şeklindeki bakır plakalar kullanılarak ölçülmüştür (Şekil 4.7).

Şekil 4.7. Deney sisteminde numune, referans cisim ve sıcaklık ölçme plakalarının gösterimi.

Deney sisteminde sıcaklık ölçme plakaları, yüksek ısı iletim katsayısı nedeniyle bakır malzemeden yapılmıştır. Deney düzeneğinde ısı kaynağından ısı çukuruna doğru sırasıyla sıcaklık ölçme plakası, numune, sıcaklık ölçme plakası, referans cisim ve sıcaklık ölçme plakası yerleştirilmiştir. Bu düzenlemeye göre ısı geçişi aşağıdan yukarıya doğru eksenel yönde oluşturulmuştur. Isı kaynağının altına, eksenel yönde ısı kaybını engellemek amacıyla 15 cm kalınlığında seramik elyaf yalıtım malzemesi yerleştirilmiştir. Isı yalıtım tabakasının altında ise 15 cm yüksekliğinde 321 paslanmaz çelikten yapılmış silindirik bir blok bulunmaktadır. Bu silindir blok ısıtıcı elemanın altındaki yalıtım malzemesinden eksenel yönde kaybolan ısı enerjisini tespit edebilmek amacıyla kullanılmış ve bloğun ekseninde, iki farklı yükseklikte termoeleman ile sıcaklık değerleri ölçülmüştür (Şekil 4.8).

Isı Çukuru

Sıcaklık ölçme plakaları

Referans malzeme Numune

Isıtıcı

Şekil 4.8. Deney sisteminde ölçüm alınan bölgenin görünümü.

Şekil 4.9’da ölçüm sistemine ait kısım şematik olarak gösterilmiştir. Şekilde termoelemanların yerleştirildiği bölgeler ayrıntılı olarak verilmiş olup, beş farklı noktadan sıcaklık değerleri ölçülmüştür.

Seramik Elyaf Yalıtım malzemesi

321 paslanmaz çelik blok

Termo Elemanlar

Şekil 4.9. Mukayese metodu ölçüm asamblesi şematik gösterimi.

Deneyler esnasında, ısı kaynağı olan elektrik direncine, bir voltaj regülatörü kullanılarak gerilim farkı uygulanmıştır. Elektrik direncine verilen gerilim farkı ve akım şiddeti ölçülmüştür. Gerilim farkı değiştirilerek ısı kaynağının sıcaklığı kontrol

Potansiyometre

büyüklükleri kaydedilmiştir. Ölçülen sıcaklıklar, referans cismin kalınlığı ile ısı iletim katsayısı ve numune kalınlığı kullanılarak, ısıl engelleme kaplamasının ısı iletim katsayısı hesap yoluyla tayin edilmiştir.

Referans malzemesi olarak, ısı iletim katsayısının sıcaklığa göre değişimi Lazer flaş yöntemi ile belirlenen, aynı zamanda da ana malzeme olarak kullanılan 321 paslanmaz çelik seçilmiştir. Isı iletim katsayısı tayin edilecek numune, 321 paslanmaz çelik üzerine ısıl engelleme kaplaması olmak üzere iki tabakadan oluşmaktadır (Şekil 4.10). Pratikte çelik ve kaplamanın yapışmasını sağlamak amacıyla bağlayıcı bir katman kullanılmaktadır. Bağlayıcı katmanın çok ince olması ve çalışmada ısıl engelleme kaplamasının ısı iletim katsayısının dikkate alınması nedeniyle numuneler bağlayıcı katman olmadan hazırlanmıştır.

Şekil 4.10. Deney numunesinin şematik gösterimi.

Isıl engelleme Kaplama

321 Paslanmaz Çelik

4.4. Isı Đletim Katsayısı Hesap Yöntemi

Isı iletim katsayısının ölçülen sıcaklık değerlerinden hesaplanması için Fourier yasası ve ısıl dirençlerin seri düzenlenme halindeki eşitlikler kullanılmıştır.

Numune ve referans cisimden radyal yönde ısı geçişinin olmadığı kabulü ile numuneden geçen ısı miktarı referans malzemesinden geçen ısı miktarına eşittir ve

ref

numune Q

Q = (4.2)

şeklinde yazılabilir. Fourier yasasından yararlanarak Denklem (4.2) aşağıdaki gibi ifade edilebilir,

referans malzemesinin üst yüzey sıcaklığı, T₂ referans malzemesinin alt ve numunenin üst yüzey sıcaklığı, T₃ numunenin alt yüzey sıcaklığıdır.

Mukayese yöntemi ile elde edilen efektif ısı iletim katsayısı değerlerinin sıcaklığa göre değişimi Şekil 4.11’de verilmiştir.

0.700 0.800 0.900

0 100 200 300 400 500 600

T (C)

k (

Şekil 4.11. Mukayese yöntemi ile elde edilen deneysel sonuçlar.

4.5. Görüntü Analizi

Isıl engelleme kaplamasından oluşan numunelerin iç yapılarının incelenebilmesi için numuneler, iletkenlik ölçümleri sonrasında, tahribatlı bir kontrol metodu olan metalografik numune hazırlama işleminden geçirilmiştir.

Metalografik numune hazırlama işleminin temel amacı göreceli olarak pürüzsüz bir yüzey elde edilerek malzemenin, optik mikroskop ve elektron mikroskobunda hassas olarak incelenebilmesidir.

Metalografik numune hazırlama 5 temel adımdan oluşur (Rückert et al., 1988;

Bjerregaard et al., 1992). Bunlar sırasıyla;

Kesme

Kalıplama

Zımparalama

Parlatma

Dağlama adımlarıdır.

Isıl engelleme kaplamasından oluşan numunelerin, metalografik olarak hazırlanması sırasında bu adımlar standart metalik veya seramik numunelere oranla daha kritik bir hal alır. Çünkü birbirlerinden çok farklı özelliklere sahip ana metal altlık ile seramik ısıl engelleme kaplama bir arada bulunur ve her ikisine numune hazırlama işlemlerini ayrı ayrı uygulamak imkansızdır. Genel olarak belirtmek gerekirse, metal

Isıl engelleme kaplamasından oluşan numunelerin, metalografik olarak hazırlanması sırasında bu adımlar standart metalik veya seramik numunelere oranla daha kritik bir hal alır. Çünkü birbirlerinden çok farklı özelliklere sahip ana metal altlık ile seramik ısıl engelleme kaplama bir arada bulunur ve her ikisine numune hazırlama işlemlerini ayrı ayrı uygulamak imkansızdır. Genel olarak belirtmek gerekirse, metal

Belgede Isıl Engelleme Kaplamalarında Efektif Isı Đletim Katsayısının Değişimi Eylül - 2007 Makina Mühendisliği Anabilim Dalı TEZĐ DOKTORA Özge Altun (sayfa 44-0)