T.C.
DÜZCE ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
TERMAL BARİYER KAPLI BİR DİZEL MOTORDA
BİYODİZELİN YANMAYA OLAN ETKİLERİNİN İNCELENMESİ
SEVDA MERT
DOKTORA TEZİ
DİSİPLİNLERARASI KOMPOZİT MALZEME TEKNOLOJİLERİ
ANABİLİM DALI
DANIŞMAN
PROF. DR. SUAT SARIDEMİR
T.C.
DÜZCE ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
TERMAL BARİYER KAPLI BİR DİZEL MOTORDA
BİYODİZELİN YANMAYA OLAN ETKİLERİNİN İNCELENMESİ
Sevda Mert tarafından hazırlanan tez çalışması aşağıdaki jüri tarafından Düzce Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Disiplinlerarası Kompozit Malzeme Teknolojileri Anabilim Dalı’nda DOKTORA TEZİ olarak kabul edilmiştir.
Tez Danışmanı
Prof. Dr. Suat SARIDEMİR Düzce Üniversitesi
Jüri Üyeleri
Prof. Dr. Suat SARIDEMİR
Düzce Üniversitesi _____________________ Doç. Dr. Alaattin Osman EMİROĞLU
Bolu Abant İzzet Baysal Üniversitesi _____________________
Doç. Dr. Turgay KIVAK
Düzce Üniversitesi _____________________
Prof. Dr. Hamit SARUHAN
Düzce Üniversitesi _____________________ Doç. Dr. Tolga TOPGÜL
Gazi Üniversitesi _____________________
BEYAN
Bu tez çalışmasının kendi çalışmam olduğunu, tezin planlanmasından yazımına kadar bütün aşamalarda etik dışı davranışımın olmadığını, bu tezdeki bütün bilgileri akademik ve etik kurallar içinde elde ettiğimi, bu tez çalışmasıyla elde edilmeyen bütün bilgi ve yorumlara kaynak gösterdiğimi ve bu kaynakları da kaynaklar listesine aldığımı, yine bu tezin çalışılması ve yazımı sırasında patent ve telif haklarını ihlal edici bir davranışımın olmadığını beyan ederim.
28 Şubat 2020
TEŞEKKÜR
TBK Dizel Motorda Biyodizelin Yanmaya Etkisi konusunda bana çalışma fırsatı veren, çalışmalarım sırasında bilgisini ve yardımlarını esirgemeyen danışman hocam Prof. Dr. Suat SARIDEMİR’e en içten dileklerimle teşekkür ederim.
Tez çalışmam boyunca bilgisini, değerli yardımlarını esirgemeyen tez izleme komitesi hocalarım Doç. Dr. Alaattin Osman EMİROĞLU’na ve Doç. Dr. Turgay KIVAK’a teşekkürlerimi sunarım. DÜ Teknoloji Fakültesine ait İçten Yanmalı Motorlar Laboratuarını kullanmama imkan sağladıkları için Makine ve İmalat Mühendisliğine teşekkürlerimi sunarım. Senkron Kaplama ve Adana Yakıt firmalarına çalışmalarımdaki katkılarından dolayı teşekkürlerimi sunarım. Manevi desteklerini eksik etmeyen anneme, babama ve yakınlarıma, her zaman tüm kalbiyle yanımda olan, destek ve önerilerini eksik etmeyen canım eşime, varlıklarından dolayı canım kızıma ve canım oğluma en içten dileklerimle teşekkürlerimi sunarım.
Bu tez çalışması, Düzce Üniversitesi 2013.07.04.187 numaralı ve BAP-2015.07.04.366 numaralı Bilimsel Araştırma Projeleriyle desteklenmiştir.
İÇİNDEKİLER
Sayfa No
ŞEKİL LİSTESİ ... vii
ÇİZELGE LİSTESİ ... xii
KISALTMALAR... xiii
SİMGELER ... xiv
ÖZET ... xv
ABSTRACT ... xvi
EXTENDED ABSTRACT ... xvii
1.
GİRİŞ ... 1
1.1.TERMALBARİYERKAPLAMALARİÇİNKAPLAMAMALZEMELERİ7 1.1.1. YSZ (Yttria Stabilized Zirconia: Yitria ile Dengeli Zirkonya) ... 7
1.1.2. Mullite (Saf Çini) ... 8
1.1.3. Al2O3 (Alümina) ... 8
1.1.4. CeO2 +YSZ ... 9
1.1.5. La2Zr2O7 (Lantanyum Zirkonat) ... 9
1.1.6. Silikatlar ... 9
1.1.7. Az Bulunur Yeryüzü Oksitleri ... 10
1.1.8. Metal-Cam Kompozitler ... 10
1.1.9. Y3AlxFe5-xO12 ... 10
1.1.10. SrZrO3 ve BaZrO3 ... 10
1.1.11. Lantanyum Aluminyum Oksitler ... 11
1.1.12. (Ca1-xMgx) Zr4 (PO4)6 ... 11
1.1.13. LaPO4 (Lantanyum Fosfat) ... 11
1.2.TERMALBARİYERKAPLAMAMALZEMELERİNÖZELLİKLERİ ... 12
1.3.TERMALBARİYERKAPLAMALARDAYÖNTEMLER ... 12
1.3.1. Plazma Sprey Yöntemi ... 14
1.3.2. Elektron Işınlı Fiziksel Buhar Çökelme (EBPVD) Yöntemi ... 17
1.3.3. Alev Sprey Yöntemi ... 18
1.3.4. Elektrik Ark Sprey Yöntemi ... 19
1.3.5. CVD (Chemical Vapour Deposition) Yöntemi ... 20
1.3.6. PVD (Physical Vapor Deposition) Yöntemi ... 21
1.3.7. Yüksek Hızlı Oksijen Alevi (HVOF: High Velocity Oxygen Fuel) ... 21
1.3.8. Sol-Jel Kaplama ... 22
1.3.9. Detonasyon Sprey (D-Gun) ... 23
1.3.10. Elektrostatik Sprey Destekli Buhar Çökelme (ESAVD) ... 23
1.4.BİYODİZEL ... 24
1.4.1. Biyodizelin Tanımı ... 24
1.4.2. Biyodizelin Özellikleri ... 29
1.4.3. Biyodizelin Çevresel Özellikleri ... 30
1.4.4. Biyodizelin Çevresel Özellikleri ... 32
1.5.DİZELMOTORLARDAYANMA ... 32
1.5.2. Yanma Prosesi ... 33
1.5.2.1. Tutuşma Gecikmesi ... 35
1.5.2.2. Kontrolsüz yanma... 37
1.5.2.3. Difüzyon Kontrollü Yanma ... 37
1.5.2.4. Art Yanma ... 38
1.5.3. Bir Dizel Motorda Yanma Karakteristikleri ... 39
2.
MATERYAL VE YÖNTEM ... 42
2.1. AYÇİÇEKYAĞINDANBİYODİZELÜRETİMİ ... 42
2.2. DENEYMOTORUVEMOTORTESTCİHAZI ... 44
2.3. YANMAANALİZİSİSTEMİ ... 47
2.4. KAPLAMAYAPILANMOTORPARÇALARI ... 48
2.5. DENEYSELYÖNTEM ... 49
2.6. YANMASONRASINDAHESAPLANANBÜYÜKLÜKLER ... 50
2.6.1. Silindir Gaz Basınçlarının Hesabı ... 50
2.6.2. Yanma Sonu Tahmini ... 50
2.6.3. Ortalama Gaz Sıcaklığı ... 50
2.6.4. Özgül Isılar Oranı ... 51
2.6.5. Isı Açığa Çıkış Hızı ve Miktarının Hesabı ... 51
2.6.6. Isı Transferi ... 53
2.6.7. Woschni Isı Transferi Katsayısı ... 53
2.6.8. Hohenberg Isı Transferi Katsayısı ... 53
2.6.9. Annand Isı Transferi Katsayısı ... 54
2.6.10. Brüt Isı Salınımı ... 54
2.7. KAPLAMALIPİSTONLARINİNCELENMESİİÇİNKULLANILAN CİHAZLAR ... 54
3.
BULGULAR VE TARTIŞMA ... 59
3.1. YANMAKARAKTERİSTİKLERİNİNKARŞILAŞTIRILMASI ... 59
3.1.1. Silindir İçi Basınçların Karşılaştırılması ... 59
3.1.2. Isı Açığa Çıkış Oranlarının Karşılaştırılması ... 73
3.1.3. Basınç Artış Oranlarının Karşılaştırılması ... 85
3.1.4. Kümülatif (Toplam) Isı Yayılımının Karşılaştırılması ... 97
3.2.UZUNSÜRELİDENEYLERDENSONRATBK’LIMOTORUNVE KAPLAMANINDURUMU ... 109
3.2.1. SEM ve EDS Analizleri ... 109
3.2.1.1. Orijinal Piston için SEM ve EDS Analizleri ... 114
3.2.1.2. B0 Yakıtı Kullanılan Piston için SEM ve EDS Analizleri ... 122
3.2.1.3. B6 Yakıtı Kullanılan Piston için SEM ve EDS Analizleri ... 131
3.2.1.4. B12 Yakıtı Kullanılan Piston için SEM ve EDS Analizleri... 140
4.
SONUÇLAR VE ÖNERİLER ... 151
5.
KAYNAKLAR ... 156
ŞEKİL LİSTESİ
Sayfa No
Şekil 1.1. Çeşitli kaplama yöntemleri (Türküz, 2006). ... 13
Şekil 1.2. Plazma sprey işleminin şematik olarak gösterilişi (Özel, 2013). ... 15
Şekil 1.3. Tel alev sprey yöntemi (Özel, 2013). ... 19
Şekil 1.4. Toz alev sprey yöntemi (Alev sprey, 2016). ... 19
Şekil 1.5. Elektrik ark sprey sisteminin şematik görünüşü (Özel, 2013). ... 20
Şekil 1.6. HVOF sprey tabancasıyla birleştirmenin şematik gösterilişi (Özel, 2013). ... 22
Şekil 1.7. Detonasyon sprey sisteminin şematik görünüşü (Özel, 2013). ... 23
Şekil 1.8. Biyodizel üretiminde kullanılan yağ bitkileri a) Kanola b) Ayçiçeği, c) Soya d) Aspir (Alternatif enerji kaynakları, 2015). ... 24
Şekil 1.9. Biyodizel döngüsü (Biyodizel, 2015). ... 30
Şekil 1.10. Dizel yanma odasında bir delikli enjektörden püskürtülen yakıtın tutuşma anındaki fotoğrafı (Kocabaş, 2007). ... 35
Şekil 1.11. Krank mili açısına bağlı olarak ısı açığa çıkışı (Çelik, 2015). ... 35
Şekil 1.12. Kümülatif ısı yayılımı (Can, 2012). ... 40
Şekil 2.1. Biyodizel yakıt üretimi. ... 42
Şekil 2.2. Biyodizel içerisindeki fazların ayrılması. ... 43
Şekil 2.3. pH kağıtları. ... 43
Şekil 2.4. Deney düzeneğinin şematik görünümü. ... 46
Şekil 2.5. Deney düzeneğinin genel görünümü. ... 46
Şekil 2.6. Silindir gaz basınçlarının Febris yanma analizinde ekran görüntüsü. ... 47
Şekil 2.7. Yüzeylerin kaplama yapıldıktan sonraki görünümü a) Piston b) Silindir kapağı c) Supaplar d) Silindir kapağı ve supaplar... 48
Şekil 2.8. Kaplanan pistonun motor üzerindeki görünümü. ... 49
Şekil 2.9. Metkon METACUT 300 marka numune kesme cihazı. ... 55
Şekil 2.10. Metkon METACUT 300 marka numune kesme cihazında, pistonlardan numunelerin çıkarılması a) Görüntü 1 b) Görüntü 2. ... 55
Şekil 2.11. Metkon Forcipol 1V marka numune parlatma cihazı. ... 56
Şekil 2.12. Denkton Vacuum-Desk V marka numune kaplama cihazı. ... 56
Şekil 2.13. QUANTA FEG 250 marka SEM cihazı a) Cihaz görüntüsü b) Cihazda numune incelenmesi 1 c) Cihazda numune incelenmesi 2. ... 57
Şekil 2.14. Duroline-M marka mikro sertlik cihazı a) Cihaz görüntüsü b) Cihazda numune incelenmesi. ... 58
Şekil 3.1. STD dizel motorda yakıtların, 1400 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı silindir içi gaz basınçlarının değişimi. ... 62
Şekil 3.2. TBK’lı dizel motorda yakıtların, 1400 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı silindir içi gaz basınçlarının değişimi. ... 62
Şekil 3.3. TBK+STD dizel motorda yakıtların, 1400 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı silindir içi gaz basınçlarının değişiminin karşılaştırılması. ... 63
Şekil 3.4. STD dizel motorda yakıtların, 1800 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı silindir içi gaz basınçlarının değişimi. ... 64
Şekil 3.5. TBK’lı dizel motorda yakıtların, 1800 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı silindir içi gaz basınçlarının değişimi. ... 64
Şekil 3.6. TBK+STD dizel motorda yakıtların, 1800 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı silindir içi gaz basınçlarının değişiminin karşılaştırılması. ... 65
Şekil 3.7. STD dizel motorda yakıtların, 2200 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı silindir içi gaz basınçlarının değişimi. ... 66
Şekil 3.8. TBK’lı dizel motorda yakıtların, 2200 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı silindir içi gaz basınçlarının değişimi. ... 66 Şekil 3.9. TBK+STD dizel motorda yakıtların, 2200 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı
silindir içi gaz basınçlarının değişiminin karşılaştırılması. ... 67 Şekil 3.10. STD dizel motorda yakıtların, 2600 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı silindir
içi gaz basınçlarının değişimi. ... 68 Şekil 3.11. TBK’lı dizel motorda yakıtların, 2600 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı
silindir içi gaz basınçlarının değişimi. ... 68 Şekil 3.12. TBK+STD dizel motorda yakıtların, 2600 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı
silindir içi gaz basınçlarının değişiminin karşılaştırılması. ... 69 Şekil 3.13. STD dizel motorda yakıtların, 3000 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı silindir
içi gaz basınçlarının değişimi. ... 70 Şekil 3.14. TBK’lı dizel motorda yakıtların, 3000 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı
silindir içi gaz basınçlarının değişimi. ... 70 Şekil 3.15. TBK+STD dizel motorda yakıtların, 3000 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı
silindir içi gaz basınçlarının değişiminin karşılaştırılması. ... 71 Şekil 3.16. STD dizel motorda yakıtların, 1400 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı ısı çıkış
oranlarının değişimi. ... 76 Şekil 3.17. TBK dizel motorda yakıtların, 1400 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı ısı çıkış
oranlarının değişimi. ... 76 Şekil 3.18. TBK+STD dizel motorda yakıtların, 1400 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı
ısı çıkış oranlarının değişiminin karşılaştırılması. ... 77 Şekil 3.19. STD dizel motorda yakıtların, 1800 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı ısı çıkış
oranlarının değişimi. ... 78 Şekil 3.20. TBK dizel motorda yakıtların, 1800 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı ısı çıkış
oranlarının değişimi. ... 78 Şekil 3.21. TBK+STD dizel motorda yakıtların, 1800 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı
ısı çıkış oranlarının değişiminin karşılaştırılması. ... 79 Şekil 3.22. STD dizel motorda yakıtların, 2200 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı ısı çıkış
oranlarının değişimi. ... 80 Şekil 3.23. TBK dizel motorda yakıtların, 2200 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı ısı çıkış
oranlarının değişimi. ... 80 Şekil 3.24. TBK+STD dizel motorda yakıtların, 2200 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı
ısı çıkış oranlarının değişiminin karşılaştırılması. ... 81 Şekil 3.25. STD dizel motorda yakıtların, 2600 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı ısı çıkış
oranlarının değişimi. ... 82 Şekil 3.26. TBK dizel motorda yakıtların, 2600 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı ısı çıkış
oranlarının değişimi. ... 82 Şekil 3.27. TBK+STD dizel motorda yakıtların, 2600 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı
ısı çıkış oranlarının değişiminin karşılaştırılması. ... 83 Şekil 3.28. STD dizel motorda yakıtların, 3000 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı ısı çıkış
oranlarının değişimi. ... 84 Şekil 3.29. TBK dizel motorda yakıtların, 3000 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı ısı çıkış
oranlarının değişimi. ... 84 Şekil 3.30. TBK+STD dizel motorda yakıtların, 3000 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı
ısı çıkış oranlarının değişiminin karşılaştırılması. ... 85 Şekil 3.31. STD dizel motorda yakıtların, 1400 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı basınç
artış oranlarının değişimi. ... 88 Şekil 3.32. TBK’lı dizel motorda yakıtların, 1400 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı
Şekil 3.33. TBK+STD dizel motorda yakıtların, 1400 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı basınç artış oranlarının değişiminin karşılaştırılması. ... 89 Şekil 3.34. STD dizel motorda yakıtların, 1800 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı basınç
artış oranlarının değişimi. ... 90 Şekil 3.35. TBK’lı dizel motorda yakıtların, 1800 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı
basınç artış oranlarının değişimi. ... 90 Şekil 3.36. TBK+STD dizel motorda yakıtların, 1800 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı
basınç artış oranlarının değişiminin karşılaştırılması. ... 91 Şekil 3.37. STD dizel motorda yakıtların, 2200 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı basınç
artış oranlarının değişimi. ... 92 Şekil 3.38. TBK’lı dizel motorda yakıtların, 2200 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı
basınç artış oranlarının değişimi. ... 92 Şekil 3.39. TBK+STD dizel motorda yakıtların, 2200 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı
basınç artış oranlarının değişiminin karşılaştırılması. ... 93 Şekil 3.40. STD dizel motorda yakıtların, 2600 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı basınç
artış oranlarının değişimi. ... 94 Şekil 3.41. TBK’lı dizel motorda yakıtların, 2600 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı
basınç artış oranlarının değişimi. ... 94 Şekil 3.42. TBK+STD dizel motorda yakıtların, 2600 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı
basınç artış oranlarının değişiminin karşılaştırılması. ... 95 Şekil 3.43. STD dizel motorda yakıtların, 3000 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı basınç
artış oranlarının değişimi. ... 96 Şekil 3.44. TBK’lı dizel motorda yakıtların, 3000 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı
basınç artış oranlarının değişimi. ... 96 Şekil 3.45. TBK+STD dizel motorda yakıtların, 3000 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı
basınç artış oranlarının değişiminin karşılaştırılması. ... 97 Şekil 3.46. STD dizel motorda yakıtların, 1400 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı
kümülatif ısı yayılımının değişimi. ... 99 Şekil 3.47. TBK’lı dizel motorda yakıtların, 1400 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı
kümülatif ısı yayılımının değişimi. ... 100 Şekil 3.48. TBK+STD dizel motorda yakıtların, 1400 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı
kümülatif ısı yayılımı değişiminin karşılaştırılması. ... 100 Şekil 3.49. STD dizel motorda yakıtların, 1800 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı
kümülatif ısı yayılımının değişimi. ... 101 Şekil 3.50. TBK’lı dizel motorda yakıtların, 1800 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı
kümülatif ısı yayılımının değişimi. ... 102 Şekil 3.51. TBK+STD dizel motorda yakıtların, 1800 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı
kümülatif ısı yayılımı değişiminin karşılaştırılması. ... 102 Şekil 3.52. STD dizel motorda yakıtların, 2200 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı
kümülatif ısı yayılımının değişimi. ... 103 Şekil 3.53. TBK’lı dizel motorda yakıtların, 2200 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı
kümülatif ısı yayılımının değişimi. ... 104 Şekil 3.54. TBK+STD dizel motorda yakıtların, 2200 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı
kümülatif ısı yayılımı değişiminin karşılaştırılması. ... 104 Şekil 3.55. STD dizel motorda yakıtların, 2600 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı
kümülatif ısı yayılımının değişimi. ... 105 Şekil 3.56. TBK’lı dizel motorda yakıtların, 2600 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı
kümülatif ısı yayılımının değişimi. ... 106 Şekil 3.57. TBK+STD dizel motorda yakıtların, 2600 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı
Şekil 3.58. STD dizel motorda yakıtların, 3000 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı
kümülatif ısı yayılımının değişimi. ... 107
Şekil 3.59. TBK’lı dizel motorda yakıtların, 3000 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı kümülatif ısı yayılımının değişimi. ... 108
Şekil 3.60. TBK+STD dizel motorda yakıtların, 3000 d/d ve tam yükte KA’ya bağlı kümülatif ısı yayılımı değişiminin karşılaştırılması. ... 108
Şekil 3.61. Al2O3-ZrO2 (%20-%80) seramik kompozit malzeme ile kaplanmış pistonun motor üzerindeki görünümü. ... 110
Şekil 3.62. Deney motorunun B0 ile 6 saat çalıştırılma süresi sonrası Al2O3-ZrO2 (%20-%80) seramik kompozit malzeme ile kaplanmış motor parçalarının görünümü a) Piston b) Silindir kapağı ve supaplar. ... 111
Şekil 3.63. Deney motorunun, B0 ile 50 saat çalıştırılma süresi sonrası Al2O3-ZrO2 (%20-%80) seramik kompozit malzeme ile kaplanmış motor parçalarının görünümü a) Piston b) Motor üzerinde iken piston c) Supaplar d) Silindir kapağı ve supaplar. ... 112
Şekil 3.64. Deney motorunun, B6 ile 50 saat çalıştırılma süresi sonrası Al2O3-ZrO2 (%20-%80) seramik kompozit malzeme ile kaplanmış motor parçalarının görünümü a) Piston b) Motor üzerinde iken piston c) Supaplar d) Silindir kapağı ve supaplar. ... 113
Şekil 3.65. Deney motorunun, B12 ile 50 saat çalıştırılma süresi sonrası Al2O3-ZrO2 (%20-%80) seramik kompozit malzeme ile kaplanmış motor parçalarının görünümü a) Piston b) Motor üzerinde iken piston c) Supaplar d) Silindir kapağı ve supaplar. ... 114
Şekil 3.66. Orijinal pistonun enine kesitine ait SEM görüntüsü. ... 115
Şekil 3.67. Orijinal pistonun 1 noktası için EDS analizi. ... 116
Şekil 3.68. Orijinal pistonun 2 noktası için EDS analizi. ... 117
Şekil 3.69. Orijinal pistonun 3 noktası için EDS analizi. ... 118
Şekil 3.70. Orijinal pistonun 4 noktası için EDS analizi. ... 119
Şekil 3.71. Orijinal pistonun farklı bir bölgesi için 500 büyütmedeki SEM görüntüsü. ... 120
Şekil 3.72. Orijinal pistonun farklı bir diğer bölgesi için 500 büyütmedeki SEM görüntüsü. ... 120
Şekil 3.73. Orijinal pistonun üst bölgesinin 500 büyütmeli SEM görüntüsü. ... 121
Şekil 3.74. Orijinal pistonun üst bölgesinin 1000 büyütmeli SEM görüntüsü. ... 122
Şekil 3.75. B0 yakıt kullanılan pistonun, dizel motorda 50 saatlik bir çalışma peryodu sonrası enine kesitine ait SEM görüntüsü. ... 123
Şekil 3.76. B0 yakıtı kullanılan pistonun 1 noktası için EDS analizi. ... 124
Şekil 3.77. B0 yakıtı kullanılan pistonun 2 noktası için EDS analizi. ... 125
Şekil 3.78. B0 yakıtı kullanılan pistonun 3 noktası için EDS analizi. ... 126
Şekil 3.79. B0 yakıtı kullanılan pistonun 4 noktası için EDS analizi. ... 127
Şekil 3.80. B0 yakıtı kullanılan piston numunesi üzerindeki isli bölgeye ait 5 noktası için EDS analizi. ... 128
Şekil 3.81. B0 yakıtı kullanılan pistonun farklı bir bölgesi için SEM görüntüsü. ... 129
Şekil 3.82. B0 yakıtı kullanılan pistonun üst bölgesinin 500 büyütmeli SEM görüntüsü. ... 130
Şekil 3.83. B0 yakıtı kullanılan pistonun üst bölgesinin 1000 büyütmeli SEM görüntüsü. ... 130
Şekil 3.84. B6 yakıt kullanılan pistonun, dizel motorda 50 saatlik bir çalışma peryodu sonrası enine kesitine ait SEM görüntüsü. ... 131
Şekil 3.86. B6 yakıtı kullanılan pistonun 2 noktası için EDS analizi. ... 133
Şekil 3.87. B6 yakıtı kullanılan pistonun 3 noktası için EDS analizi. ... 134
Şekil 3.88. B6 yakıtı kullanılan pistonun 4 noktası için EDS analizi. ... 135
Şekil 3.89. B6 yakıtı kullanılan piston numunesi üzerindeki isli bölgeye ait 5 noktası için EDS analizi. ... 136
Şekil 3.90. B6 yakıtı kullanılan pistonun farklı bir bölgesi için 500 büyütmedeki SEM görüntüsü. ... 137
Şekil 3.91. B6 yakıtı kullanılan pistonun farklı bir diğer bölgesi için 500 büyütmedeki SEM görüntüsü... 137
Şekil 3.92. B6 yakıtı kullanılan pistonun farklı bir bölgesi için 300 büyütmedeki SEM görüntüsü. ... 138
Şekil 3.93. B6 yakıtı kullanılan pistonun farklı bir diğer bölgesi için 300 büyütmedeki SEM görüntüsü... 138
Şekil 3.94. B6 yakıtı kullanılan pistonun üst bölgesinin 500 büyütmeli SEM görüntüsü. ... 139
Şekil 3.95. B6 yakıtı kullanılan pistonun üst bölgesinin 1000 büyütmeli SEM görüntüsü. ... 140
Şekil 3.96. B12 yakıt kullanılan pistonun, dizel motorda 50 saatlik bir çalışma peryodu sonrası enine kesitine ait SEM görüntüsü. ... 142
Şekil 3.97. B12 yakıtı kullanılan pistonun 1 noktası için EDS analizi. ... 143
Şekil 3.98. B12 yakıtı kullanılan pistonun 2 noktası için EDS analizi. ... 144
Şekil 3.99. B12 yakıtı kullanılan pistonun 3 noktası için EDS analizi. ... 145
Şekil 3.100. B12 yakıtı kullanılan pistonun 4 noktası için EDS analizi. ... 146
Şekil 3.101. B12 yakıtı kullanılan piston numunesi üzerindeki isli bölgeye ait 5 noktası için EDS analizi... 147
Şekil 3.102. B12 yakıtı kullanılan pistonun farklı bir bölgesi için 363 büyütmedeki SEM görüntüsü... 148
Şekil 3.103. B12 yakıtı kullanılan pistonun farklı bir bölgesi için 400 büyütmedeki SEM görüntüsü... 149
Şekil 3.104. B12 yakıtı kullanılan pistonun üst bölgesinin 500 büyütmeli SEM görüntüsü. ... 150
Şekil 3.105. B12 yakıtı kullanılan pistonun üst bölgesinin 1000 büyütmeli SEM görüntüsü. ... 150
ÇİZELGE LİSTESİ
Sayfa No Çizelge 1.1. Elektron ışın fiziksel buhar çökelme (EBPVD) ve ısıl spreyinin
avantajları ve dezavantajları (Vyas & Choy, 2000). ... 14 Çizelge 1.2. 2004-2016 Trafiğe kayıtlı otomobillerin yakıt cinsine göre dağılımı
(Motorlu kara taşıtları, 2017). ... 28 Çizelge 2.1. B0, AYME ve biyodizel karışımlarının analiz sonuçları. ... 44 Çizelge 2.2. Dizel motorun teknik özellikleri. ... 45 Çizelge 3.1. STD ve TBK dizel motorda tüm devir sayılarında ve tam yükte KA’ya
bağlı maksimum silindir içi gaz basınçları. ... 59 Çizelge 3.2. STD ve TBK dizel motorda tüm devir sayılarında ve tam yükte KA’ya
bağlı maksimum ısı çıkış oranları. ... 75 Çizelge 3.3. STD ve TBK dizel motorda tüm devir sayılarında ve tam yükte KA’ya
bağlı maksimum basınç artış oranları. ... 87 Çizelge 3.4. STD ve TBK dizel motorda tüm devir sayılarında ve tam yükte KA’ya
KISALTMALAR
AISI 304 Östenitik Paslanmaz Çelik
APS Atmosferik Plazma Püskürtme
AYME Ayçiçeği Yağı Metil Esteri
B0 Hacimsel Bazda %0 Biyodizel %100 Dizel Karışımı
B6 Hacimsel Bazda %6 Biyodizel %94 Dizel Karışımı
B12 Hacimsel Bazda %12 Biyodizel %88 Dizel Karışımı
B25 Hacimsel Bazda %25 Biyodizel %75 Dizel Karışımı
B100 Hacimsel Bazda %100 Biyodizel %0 Dizel Karışımı
BAP Bilimsel Araştırma Projesi
Ce-TZPs Seria Stabilize Tetragonal Zirkon Polikristalleri
CVD Kimyasal Buhar Biriktirme
DIK Düşük Isı Kayıplı
EBPVD Elektron Işınlı Fiziksel Buhar Çökelme
EDS Enerji Dağılım Spektrometresi
EN Avrupa Standartları
ESAVD Elektrostatik Sprey Destekli Buhar Çökelme
FEM Sonlu Elemanlar Modeli
HV Vickers Sertliği
HVOF Yüksek Hızlı Oksijen Alevi
KA Krank Açısı (°)
KB0 Kaplamalı Motorda Kullanılan Hacimsel Bazda %0
Biyodizel %100 Dizel Karışımı
KB6 Kaplamalı Motorda Kullanılan Hacimsel Bazda %6
Biyodizel %94 Dizel Karışımı
KB12 Kaplamalı Motorda Kullanılan Hacimsel Bazda %12
Biyodizel %88 Dizel Karışımı
KB25 Kaplamalı Motorda Kullanılan Hacimsel Bazda %25
Biyodizel %75 Dizel Karışımı
LPPS Düşük Basınç Plazma Sprey
NACA Havacılık Ulusal Danışma Komitesi
PS Plazma Sprey
PVD Fiziksel Buhar Biriktirme
SEM Taramalı Elektron Mikroskobu
STD Standart
TBK Termal Bariyer Kaplama
TG Tutuşma Gecikmesi
TSE Türk Standartları Enstitüsü
TZP Tetragonal Zirkon Polikristal
ÜÖN Üst Ölü Nokta
XRD X-Işını Kırınımı
SİMGELER
Al2O3 Alümina
Al2O3-ZrO2 Alümina-Stabilize Zirkonyum
CeO2 Serya CO Karbon Monoksit D2 Dizel Yakıtı g Gram HC Hidrokarbon J Joule K Kelvin kPa Kilopascal kW Kilowatt L Litre
MgO Magnezyum Oksit
mL Mililitre
NaCl Sodyum Klorür
NaOH Sodyum Hidroksit
Ni Nikel
NiCrAl Nikel Krom Alüminyum
NOx Azot Oksit
O Oksijen
ppm Milyonda Bir Parça
s Saniye
Si Silisyum
ZrO2 Zirkonya
ÖZET
TERMAL BARİYER KAPLI BİR DİZEL MOTORDA BİYODİZELİN YANMAYA OLAN ETKİLERİNİN İNCELENMESİ
Sevda MERT Düzce Üniversitesi
Fen Bilimleri Enstitüsü, Disiplinlerarası Kompozit Malzeme Teknolojileri Anabilim Dalı
Doktora Tezi
Danışman: Prof. Dr. Suat SARIDEMİR Şubat 2020, 161 sayfa
Bu çalışmada, TS EN 14214 standartlarına uygun olan ayçiçeği yağı metil esterinden elde edilen biyodizel yakıtların termal bariyer kaplamalı (TBK’lı) dizel motorlar için alternatif bir yakıt olarak kullanılabilirliği deneysel olarak incelenmiştir. Bunun için, tek silindirli bir dizel motorun yanma odası elemanları olan piston, silindir kapağı ve supaplarının yüzeyleri plazma sprey yöntemi ile 250 µm kalınlığında seramik kompozit Al2O3-ZrO2
(%20-%80) ana kaplama malzemesi ve 100 µm kalınlığında NiCrAl ara tabaka malzemesi ile kaplanmıştır. Biyodizel yakıt, rafine edilmiş ayçiçeği yağından transesterifikasyon yöntemi ile üretilmiştir. B6, B12, B25 biyodizel yakıtları ve standart dizel (B0) yakıtı, tek silindirli standart (STD) ve TBK’lı dizel motorunda tam yük altında ve 1400 d/d, 1800 d/d, 2200 d/d, 2600 d/d ve 3000 d/d devir sayılarında yanma karakteristiklerine olan etkileri incelenmiştir. Silindir basıncı, ısı açığa çıkış oranı, basınç artış oranı ve kümülatif ısı yayılımına ait verilerin alınmasında LabVIEW tabanlı Febris yanma analizi yazılımı kullanılmıştır. Maksimum silindir basıncı; TBK’lı motorda, 1400 d/d’de KB12 yakıtı ile üst ölü nokta (ÜÖN)’dan sonra 4°’de 83,65 bar olarak elde edilmiştir. Deney yakıtlarının TBK’lı motorda kullanılmasıyla artan sıcaklığa bağlı olarak maksimum silindir içi gaz basınç değerlerinin, STD motordan elde edilen maksimum silindir içi basınç değerlerine göre arttığı belirlenmiştir. Hem TBK’lı hem de STD motorda elde edilen maksimum silindir içi gaz basınç değerleri ÜÖN’dan sonra meydana gelmiştir. Maksimum ısı çıkış oranı STD motorda 1400 d/d’de B0 yakıtı ile ÜÖN’ dan 6° önce 45,53 J/°KA oluşmuştur. Ayrıca; B0, B6 ve B12 yakıt karışımları, TBK’lı yüzeylerde, aynı şartlar altında 50 saat süre ile dizel motorda test edilmiştir. Seramik kompozit ana kaplama malzemesi ile kaplanan pistonların taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntüleri ve enerji dağılım spektrometresi (EDS) analiz sonuçları incelendiğinde, kaplama malzemesinin oldukça homojen bir şekilde yüzeylere nüfuz ettiği, çalışma sırasında yüzeylerde herhangi bir bozulmaya meydan vermeden yüksek performans ile çalışmaya imkan sağladığı görülmüştür.
Anahtar sözcükler: Biyodizel yakıt, Dizel motor, Mikroyapı, Termal bariyer kaplama,
ABSTRACT
AN INVESTIGATION OF THE EFFECTS OF BIODIESEL ON COMBUSTION IN A THERMAL BARRIER COATED DIESEL ENGINE
Sevda MERT Düzce University
Graduate School of Natural and Applied Sciences, Department of Composite Material Technologies
Doctoral Thesis
Supervisor: Prof. Dr. Suat SARIDEMİR February 2020, 161 pages
In this study, biodiesel fuels produced from sunflower oil methyl ester in accordance with TS EN 14214 standards was investigated as an alternative fuel source for thermal barrier coated (TBC) diesel engines. Therefore, the surfaces of the piston, cylinder head, and valve parts of the combustion chambers of a single cylinder diesel engine were coated at 250 µm thick ceramic composite Al2O3-ZrO2 (20-80%) main coating material and 100
µm NiCrAl interlayer material. The biodiesel fuel is produced from refined sunflower oil by the transesterification method. B6, B12, B25 biodiesel fuels and standard diesel (B0) fuel were investigated the effects on combustion characteristics in a single cylinder standard (STD) and TBC of diesel engine under full load and 1400, 1800, 2200, 2600 and 3000 rpm engine speeds. Febris combustion analysis software based LabVIEW was used to collect data on cylinder pressure, heat release rate, rate of pressure increase, cumulative and heat release. Maximum cylinder pressure was found to be 83.65 bar in TBC engine with KB12 fuel at 1400 rpm and at 4° after top dead center (TDC). Depending on the increasing temperature with the use of test fuels in the engine with TBC, it was determined that the maximum in cylinder gas pressure values increased compared to the maximum in cylinder pressure values obtained from the STD engine. Maximum in cylinder gas pressure values obtained in both TBC and STD engine occured after TDC. Maximum heat release rate was found to be 45.53 J/°CA in STD engine with B0 fuel at 1400 rpm and at 6° before TDC. Also, B0, B6 and B12 fuel blends were tested on a diesel engine with TDC surfaces for 50 h under the same conditions. When the scanning electron microscope (SEM) images and the energy distribution spectrometry (EDS) analysis results of the pistons covered with the ceramic composite main coating material are investigated, it has been seen that the coating material permeates the surfaces in a very homogeneous manner and allows to work with high performance without causing any deterioration on the surfaces during working.
Keywords: Biodiesel fuel, Combustion analysis, Diesel engine, Micro structure,
EXTENDED ABSTRACT
AN INVESTIGATION OF THE EFFECTS OF BIODIESEL ON COMBUSTION IN A THERMAL BARRIER COATED DIESEL ENGINE
Sevda MERT Düzce University
Graduate School of Natural and Applied Sciences, Department of Composite Material Technologies
Doctoral Thesis
Supervisor: Prof. Dr. Suat SARIDEMİR February 2020, 161 pages
1. INTRODUCTION
The chemical energy of the fuels is converted to mechanical energy by combustion process in the internal combustion engines. The existing energy sources should be used in the most efficient manner due to rapid depletion of energy resources. For this reason, the scientific studies have increasingly continued to reduce fuel consumption in the automotive industry in recent years. Prevention of heat losses and increasing the temperature of the combustion chamber are of great importance to enhance of internal combustion engines efficiency. The most basic way to reduce heat losses of the internal combustion engines is isolation of the combustion chamber. The losses of cooling heat will be reduced by means of the insulated of combustion chamber, piston and valve surfaces with ceramic materials. Thus, engine efficiency will improve with the increase of useful energy at the end of combustion. In this study, the surfaces of the piston, cylinder head, and valve parts of the combustion chambers for a single cylinder diesel engine were coated at 250 µm thick ceramic composite Al2O3-ZrO2 (20-80%) main coating material
and 100 µm NiCrAl interlayer material. The biodiesel fuel is produced from refined sunflower oil by the transesterification method. The sunflower oil methyl ester was blended with standard diesel (B0) fuel in volumes percentages of 0%, 6%, 12% and 25% to prepare B0, B6, B12 and B25 fuel blends, respectively. B6, B12, B25 biodiesel fuels and B0 fuel were investigated the effects on cylinder pressure, heat release rate, rate of pressure increase, and cumulative heat release in a single cylinder standard (STD) and thermal barrier coated (TBC) of diesel engine under full load at different engine speeds thanks to Febris combustion analysis software. Graphs were drawn depending on the crank angle with the data collected during the experiments. Again, with these data, charts
related to combustion characteristics dependent to crank angle (CA) were created for all speeds and under full load in STD and TBC diesel engines. The effect of thermal barrier coating on biodiesel fuel was investigated by graphics and charts. Thus, the effects of biodiesel were determined on combustion in a TBC diesel engine. Also, B0, B6 and B12 fuel blends were tested on a diesel engine with TBC surfaces for 50 h under the same conditions. When the scanning electron microscope (SEM) images and the energy distribution spectrometry (EDS) analysis results of the pistons covered with the ceramic composite main coating material were investigated.
2. MATERIAL AND METHODS
In the engine test rig used in the experimental studies, a diesel engine of direct injection, 4-stroke and single cylinder air cooled Antor 6LD 400 model and a Kemsan brand electric dynamometer of 15 kW power absorber and Febris combustion analysis software were used. The surfaces of the piston, cylinder lid and valves were removed as much as the coating thickness before coating. Thus, the volume of the combustion chamber remains the same. In the study, B6 and B12 biodiesel fuels were also produced by blending 6% and 12% by volume of refined sunflower oil with B0 fuel, B6 and B12 fuel mixtures obtained were biodiesel produced by transesterification from refined sunflower oil for thermal durability testing on TBC surfaces under the same conditions for 50 hours. The transesterification method has been used to reduce the high viscosity of sunflower oil. 2 liters of sunflower oil, 7 g of NaOH (Sodium Hydroxide) and 400 ml of methanol were used to produce biodiesel. Sunflower methyl ester fuel produced from refined sunflower oil is analyzed according to EN 14214 standards. The cylinder pressure, heat release rate, rate of pressure increase, and cumulative heat release were examined thanks to Febris combustion analysis software. For SEM and EDS analyzes, samples were taken from coated pistons which were never operated in the engines and coated pistons operating for 50 hours using B0, B6, B12 fuels respectively.
3. RESULTS AND DISCUSSIONS
Maximum cylinder pressure was found to be 83.65 bar in TBC engine with KB12 fuel at 1400 rpm and at 4 ° after top dead center (TDC). Depending on the increasing temperature with the use of test fuels in the engine with TBC, it was determined that the maximum in-cylinder gas pressure values increased compared to the maximum in-in-cylinder pressure values obtained from the STD engine. Maximum in cylinder gas pressure values obtained
in both TBC and STD engine occured after TDC. Maximum heat release rate was found to be 45.53 J/°CA in STD engine with B0 fuel at 1400 rpm and at 6° before TDC. Thanks to the ceramic composite coating material, the use of a coating material having a hardness value of about 6 times the value of the piston increases the piston life.
4. CONCLUSION AND OUTLOOK
The maximum cylinder pressure was found to be 83.65 bar in TBC engine with KB12 fuel at 1400 rpm and at 4 ° after TDC. Maximum cylinder pressure improves the engine's performance in terms of fuel efficiency. The maximum cylinder pressure in STD engine, with B0 fuel at 1400 rpm, 76.71 bar was observed at 2 ° after TDC. For all fuels (B0, B6, B12 and B25) in both STD and TBK engines, the maximum in cylinder gas pressure at 1400 rpm was higher than in cylinder gas pressures at 1800, 2200, 2600 and 3000 rpm. The maximum heat release rate was found to be 45.53 J/°CA in STD engine with B0 fuel at 1400 rpm and at 6° before TDC. When the SEM images and the EDS analysis results of the pistons covered with the ceramic composite main coating material are investigated, it has been seen that the coating material are investigated the surfaces in a very homogeneous manner and allows to work with high performance without causing any deterioration on the surfaces during working.
1. GİRİŞ
İlk olarak seramik kaplamalar, havacılık ulusal danışma komitesi (NACA: National Advisory Committee for Aeronautics) tarafından, uzay uygulamalarında kullanabilmek için porselenin kaplanmasıyla geliştirilmiştir. Kalsiya ile stabilize zirkonya X-15 insansız roketin egzoz nozulu kaplanarak, termal bariyer kaplamanın (TBK’nın) insansız uçuşlarda ilk uygulaması olarak 1960’larda ortaya konulmuştur (Cao, Vassen & Stoever, 2004).
TBK’lar, otomobil, uçak ve roket motorlarında kullanılan yüksek sıcaklık uygulamalarındaki parçalar gibi birçok mekanik uygulama için umut verici bir potansiyele sahiptir (Zhang & Kobayashi, 2005). Düşük karbonlu çelikler genellikle korozyona ve aşınmaya eğilimlidirler (Liu vd., 2013; Sathish & Geetha, 2015). Bu nedenle, sık sık korozyon ve aşınma ortamlarına maruz kaldıkları bilinmektedir. Çelikleri korozyona ve aşınmaya karşı korumak için en yaygın yollardan biri de çelik yüzeyine koruyucu bir kaplama yapmaktır (Liu vd., 2013). Çeliği korozyon ve aşınmaya karşı korumak için seramik kaplamalar yaygın olarak kullanılmaktadır (Sathish & Geetha, 2015; Singh, Sil, & Jayaganthan, 2010). Yapışma, mikro sertlik ve aşınma direnci, termal olarak püskürtülen seramik kaplamaların önemli özellikleridir (Ramachandran, Selvarajan, Ananthapadmanabhan, & Sreekumar, 1997). Yüksek sertliğe, nispeten düşük yoğunluğa, termal ve korozif şartlara karşı yüksek dayanıma sahip seramik malzemeler, metalik ve polimerik malzemelere göre birçok avantaj sağlar (Sun vd., 1997; Wang vd., 1999).
Alüminyum oksit, zirkonyum oksit, titanyum oksit, krom oksit, silisyum oksit ve yitrium oksit gibi seramik malzemeler, aşınma, erozyon, kavitasyon, sürtünme ve korozyon direncini arttırmak için yüzey kaplama malzemeleri olarak yaygın şekilde kullanılmaktadır (Wang vd., 1999). Tüm seramikler arasında alümina (Al2O3) ve
zirkonya (ZrO2), üstün sertlik, iyi kimyasal kararlılık, mükemmel korozyon ve aşınma
direnci sergilediğinden tercih edilmektedir (Ramachandran, Selvarajan,
Ananthapadmanabhan, & Sreekumar, 1997; Sathish & Geetha, 2015). Zirkonya kaplamaları, termal direnç, kimyasal durgunluk, ısıl kararlılık ve korozyon direnci bakımından iyi performans göstermeleri nedeniyle en umut verici kaplamalardır (Zhang
& Kobayashi, 2005). Zirkonya içeren seramikler, Ce-TZPs ve AI2O3/TZP seramikleri
gibi, artan tokluğuyla çeşitli mühendislik uygulamalarında ideal aşınma dirençli malzemeler olarak görünmektedir (Sun vd., 1997). Geleneksel türbin malzemelerinin sıcaklığa dayanımı sınır değerlere ulaşmasından dolayı seramik TBK’ların türbin parçalarının üzerine uygulanması ve geliştirilmesi için geçmiş on yıl süresince çalışmalar yapılmıştır (Cao, Vassen, & Stoever, 2004).
Gerilme ve yüksek sıcaklık gibi çok zor şartlarda gaz türbini motorları (uçak motorları), çalışır. Gaz türbini motor parçaları; yüksek sıcaklıklara, sıcak gazlardan dolayı kanat çevresinde oluşan korozyona, aşırı mekanik yüklemelere, ısıl gerilmelere, kimyasal ve aşınma ortamına maruz kalırlar (Goto, 2005; Vyas & Choy, 2000). TBK’lar kanatları koruyarak kanatlarda ısı engeli sağlayabilir (Vyas & Choy, 2000).
Jet uçakları ve güç jeneratörlerindeki gaz türbini motorlarının sıcak bölge parçaları, kanatları, yanma hatları ve vanalar gibi elemanlarının üzerine yapılan TBK’lar, türbin giriş sıcaklığını artırmak ve soğutma sistemindeki gereksinimleri azaltmak için uygulanmaktadır (Cao, Vassen, & Stoever, 2004; Ke vd., 2005). Örneğin, ana malzemesi nikel esaslı süper alaşım olmak üzere, bir ara bağ kaplama tabakası ve seramikten (genellikle yitria ile stabilize zirkonya: YSZ) TBK ile kaplanarak gaz türbini kanadı üretilir (Goto, 2005; Ke vd., 2005; Pomeroy, 2005; Vyas & Choy, 2000).
Günümüzde TBK’lar sayesinde gaz türbinlerindeki gaz giriş sıcaklığının 1500ºC’den daha yüksek sıcaklığa ulaşmasına imkan sağlamıştır. 1960’lı yıllarda gaz giriş sıcaklığı yaklaşık 900ºC idi. TBK’nın nano yapıları ve kaplama yöntemlerindeki gelişmeler sayesinde sıcaklıkta artış sağlanmıştır (Goto, 2005). Türbin giriş sıcaklığını daha da artırmak için, yüksek sıcaklıklarda çalışabilen en ileri düzeydeki süper alaşımlar, sıcak yanma gazlarından ısısal olarak izole eder. TBK’ların kullanım amacı da bunun içindir (Schmitt-Thomas, Haindl, & Fu, 1997).
TBK’lar, motorun performansını artırmak ve kirletici emisyonları azaltmak için dizel motorlara da uygulanır. TBK’larda ayrıca ana malzeme yüzeyinde ısı yalıtımını sağlayan, oksidasyona dirençli ve stabilize zirkonya olan bir üst kaplama olarak astar tabakası (NiCrAl) oluşturulmaktadır. TBK’lı kaplamalı motor, düşük ısı kayıplı (DIK) motor olarak da adlandırılır. DIK motorun yanma odası elemanları yalıtılarak silindir içi gaz ve silindir gömleği arasında ısı transferi azaltılabilir. Yakıt ekonomisi, azalan motor gürültüsü, daha yüksek enerjili egzoz gazları ve düşük setan sayılı yakıtlarının
kullanılmasında çoklu yakıt kapasitesi DIK motorların bazı önemli avantajları olarak sayılabilir (Aydın, Sayın, & Aydın, 2015).
(Hejwowski & Weroński, 2002) tarafından yapılan bir çalışmada, ince TBK’ların bir dizel motorun performansına olan etkileri deneysel olarak incelenmiştir. Termal olarak izole edilmiş, yani TBK yapılmış pistonlu motordan elde edilen sonuçlar, orijinal motor verileri ile karşılaştırılmıştır. Deneyler sonucunda her iki kaplama sistemininde performansı arttırdığı belirtilmiştir. Pistonların içindeki sıcaklık ve gerilme dağılımları, Cosmos/Works FEM (Sonlu Elemanlar Modeli) kodlarından faydalanılarak analitik olarak değerlendirilmiştir. Seramik kaplamanın, motorda fark edilir vuruntu oluşturmadığını ve piston kenarlarında veya silindir gömleklerinde önemli bir aşınma oluşturmadığını ifade etmişlerdir.
İçten yanmalı motorlarda, enerji çevriminin meydana geldiği yanma odası ve elemanları yüksek sıcaklık ve basınç etkisinde kalmaktadır. Yanma reaksiyonu sonucu oluşan basınç, termal şok ve yanmış gazların olumsuz etkilerinden dolayı yanma odası elemanlarının (piston, supaplar, silindir gömleği, piston kafası vs.) yüzeylerinde deformasyonlar ve kimyasal aşınmalar olmaktadır. Meydana gelen bu kimyasal aşınma bir süre sonra malzemenin mekanik ömrünü azaltacağından, motorda kademe kademe performans düşüklüğü, emisyon değerlerinde kötüleşme ve yakıt tüketimi artışına neden olmaktadır. Yüzey deformasyonlarını engellemek, oluşan yüksek sıcaklığın, basıncın ve yanma olayı esnasındaki kimyasal erozyonun ana malzeme yüzeyine doğrudan temas etmesinin engellenmesi gerekmektedir. Böylece seramik kaplı malzemenin, mekanik ve ekonomik ömrü artmaktadır. Bunları sağlayacak en uygun metodlardan biri, malzemenin yüzeyini seramik bir kompozit malzeme ile kaplamak, yani ana malzeme üzerinde fiziksel ve termal bir bariyer oluşturmaktır (Hazar & Öztürk, 2009).
Seramik malzeme ile kaplanan dizel motorlarda ısı kaybının az olması sebebiyle sıkıştırma sonundaki sıcaklık artacağından ve tutuşma gecikmesi süresi azalacağından dolayı daha kolay ilk hareket sağlanabilir. Dizel motorlarında tutuşma gecikmesinin azaltılmasıyla da, kontrolsüz yanmadan dolayı meydana gelen vuruntu ve gürültünün azalarak motorun daha sessiz çalışması sağlanmış olur (Aydın, 2014; Büyükkaya, 1994). Tutuşma gecikmesinin kısalması daha düşük sıkıştırma oranı ile çalışmaya imkan vermektedir. Böylece, daha iyi bir mekanik verim elde edilebilir ve yakıt ekonomisinde iyileşme sağlanabilir (Aydın, 2014). Özellikle askeri amaçlar için hedef küçültme bakımından taşıtın küçültülmesi veya taşıtın kullanım alanının artırılması yanında, azalan
ağırlığı sebebiyle daha az yakıt tüketme ve daha seri hareket kabiliyeti kazanması da performans açısından önemlidir (Büyükkaya, 1994).
(Sathish & Geetha, 2015) tarafından yapılan bir çalışmada, düşük karbonlu çeliğe, atmosferik plazma sprey tekniğini kullanarak ZrO2, Al2O3, ZrO2/Al2O3 ve Al2O3/ZrO2
kaplamaları uygulamışlardır. Püskürtülen kaplamaların mikroyapısı ve faz bileşimi sırasıyla taramalı elektron mikroskobu (SEM: Scanning Electron Microscope) ve X-ışını kırınımı (XRD) ile incelenmiştir. %3,5 NaCl solüsyonundaki kaplamaların korozyon davranışını araştırmak için polarizasyon testi, tuz püskürtme testi ve daldırma testi kullanılmıştır. İki tabakalı Al2O3/ZrO2 kaplamanın diğer kaplamalara kıyasla üstün
korozyon direnci sağladığı bildirilmiştir. Bunun nedeni olarak da Al2O3/ZrO2
kaplamasında kararlı fazların varlığı ve çok az birbirine bağlı gözeneklerin olduğu ifade edilmiştir.
(Islak & Buytoz, 2011) tarafından yapılan çalışmada, AISI 304 östenitik paslanmaz çelik üzerine plazma sprey yöntemiyle ZrO2/Al2O3-%13TiO2 kaplanmıştır. Ayrıca, ZrO2
matrisine değişik yüzde ağırlık oranlarında Al2O3-TiO2 ilave edilmiştir. Kaplamaların
sertlik değerlerinin, alt malzemeye göre 4-5 katlık bir artış olduğu belirtilmiştir. Al2O3
-TiO2’ün karışım oranı arttığında, mikro sertliğin de arttığı ifade edilmiştir.
(Zhang & Kobayashi, 2005) tarafından yapılan çalışmada, Al2O3+ZrO2 kompozit TBK’sı,
304 paslanmaz çelik yüzeylerine gaz tünel tipi plazma sprey yöntemi ile kaplanmıştır. Farklı Al2O3+ZrO2 karışım oranları ve farklı kalınlıklarda hazırlanmış kaplamalar,
korozyon direnci açısından karşılaştırılmıştır. 304 paslanmaz çelik yüzeylerinin korozyon potansiyelinin, ZrO2+Al2O3 kompozit kaplama ile yükseltilebileceği bildirilmiştir.
Çalışma sonucunda daha kalın kaplama ve daha yüksek Al2O3 içeriğinin, daha yüksek
korozyon potansiyeline yol açacağı vurgulanmıştır.
(Hazar & Öztürk, 2009) tarafından yapılan çalışmada, dört zamanlı dizel bir motorun supaplarının ve pistonun yüzeyi, plazma sprey yöntemi ile Al2O3-TiO2 (%87-13) seramik
kompozit malzemeyle kaplanmıştır. Çalışma sonucunda, kaplanmış yüzeylerin davranışlarının ve mikro yapısının, kaplanmamış yüzeylere göre daha iyi özellikler gösterdiği belirtilmiştir.
Büyükkaya (1994) tarafından yapılan çalışmada, dizel motorunun yanma odası elemanları (supap, silindir kapağı ve piston) plazma sprey (PS) yöntemiyle MgO+ZrO2
nedeniyle, motorun daha az yakıt tüketileceği ifade edilmiştir.
Taymaz (2007) tarafından yapılan çalışmada, valfler, piston kafası, yanma odası ve silindir kafası yüzeyleri NiCrAl bağ tabakasının üzeri plazma kaplama yöntemiyle CaZrO3 ve MgZrO3 seramik malzemeleri ile kaplanan dizel motorunun, standart motora
göre effektif veriminin arttığı, yakıt tüketiminin ise azaldığı bildirilmiştir.
Al Namie, Mashkour, & Hameed (2012) tarafından yapılan çalışmada, dizel motorunun emme ve eksoz valflerinin yüzeyleri YSZ (Yttria Stabilized Zirconia: Yitria ile Stabilize Zirkonya) ve NiCrAl bağ kaplaması ile alev sprey yöntemi kullanılarak kaplanmıştır. Seramik malzemelerle kaplanan motorun standart motora göre, egzoz gazlarının sıcaklığının artmasıyla yaklaşık %7,6 oranında yakıt tüketiminin azaldığı, HC için yaklaşık %13 ve CO için yaklaşık %14,5 değerinde azaldığı bildirilmiştir.
Gürbüz (2011) tarafından yapılan çalışmada, yanma odası elemanları silindir kapağı, piston ve supapların yüzeyleri, Al2O3-TiO2 (%87-13) ve Al2O3-ZrO2 (%20-80) seramik
malzemeleriyle, kaplama kalınlığı 0,3 mm olacak şekilde plazma sprey kaplama yöntemi kullanılarak kaplanmıştır. Kaplamalı motorun STD motora nazaran ısıl verim, moment ve gücünün arttığı, özgül yakıt tüketiminin, CO ve HC emisyonlarının azaldığı bildirilmiştir.
Aydın, Sayın, & Aydın (2015) tarafından yapılan çalışmada yanma odası elemanları olan supaplar ve piston üst yüzeyleri, 0,1 mm kalınlığındaki NiCrAl esaslı bağ tabakasının üzerine, 0,4 mm kalınlığında %88 ZrO2, %4 MgO ve %8 Al2O3 seramik malzemeleriyle,
plazma sprey kaplama yöntemi kullanılarak kaplanmıştır. B5, B100 atık kızartma yağından elde edilen biyodizel karışımları ve D2 yakıtı TBK’lı ve kaplanmamış dizel motorlarda tam yükte ve çeşitli hızlarda test edilmiştir. Aynı yakıtlar kullanılarak hem TBK’lı hem de kaplamasız motorda performans, yanma ve emisyon değerlerinin karşılaştırılması yapılmıştır. Kaplanan motorda güç, egzoz manifoldu sıcaklığı ve motor gürültüsünde kısmi artışlar görülürken, özgül yakıt tüketiminde kısmi azalmalar olduğu bildirilmiştir. Ayrıca CO, HC ve duman opaklık emisyonlarında kısmi azalmalar görülürken, NOx emisyonlarında kısmi artışlar olduğu ifade edilmiştir. Silindir gaz
basıncı değerleri kaplanmış motorda daha yüksek elde edilirken ısı salınım değerleri her iki motorda birbirine yakın elde edildiği bildirilmiştir.
İçten yanmalı motorlarda yakıtın kimyasal enerjisi, yanma sonucu mekanik enerjiye dönüştürülmektedir. Enerji kaynaklarının hızla tükenmesinden dolayı, mevcut enerji
kaynakları en verimli şekilde kullanılması gerekmektedir. Bu sebeple, son yıllarda otomotiv endüstrisinde yakıt tüketimini azaltmaya yönelik bilimsel çalışmalar artarak devam etmektedir. İçten yanmalı motorların verimlerinin yükseltilmesi için, ısı kayıplarının önlenmesi ve yanma odası sıcaklıklarının arttırılması önem arz etmektedir. İçten yanmalı motorlarda ısı kayıplarını azaltmanın en temel yolu, yanma odasının yalıtılmasıdır. Seramik malzemeler ile yalıtılmış yanma odası, piston ve supap yüzeyleri sayesinde soğutmaya giden ısı kayıpları azalacaktır. Böylece yanma sonucu oluşan faydalı enerji artarak motor verimi yükselecektir.
Biyodizelin oksidasyon kararlılığı daha düşüktür, havadaki nemi çekme eğilimlidir ve çözücüler, çeşitli motor bileşenlerinde korozyona neden olabilmektedir. Bu tür nedenlerden dolayı, standart dizel (B0) yakıtının %20’ye kadar biyodizel ve bitkisel yağlarla karıştırılabileceği ve mevcut dizel motorlarda modifikasyon yapılmadan kullanılabileceği genel olarak bilinmektedir.
Tez çalışması kapsamında, rafine edilmiş ayçiçeği yağından transesterifikasyon yöntemi ile TS EN 14214 standartlarında üretilen ayçiçeği yağı metil esteri (AYME), B0 yakıt ile hacimsel olarak %6, %12 ve %25 oranlarında karıştırılarak B6, B12 ve B25 yakıtları elde edilmiştir. B6, B12 ve B25 biyodizel yakıtları ve B0 yakıtı, tek silindirli standart (STD) ve TBK’lı dizel motorunda tam yük altında 1400 d/d, 1800 d/d, 2200 d/d, 2600 d/d ve 3000 d/d devir sayılarında, LabVIEW tabanlı Febris yanma analiz sistemi ile yanma sonu silindir içi basıncı, ısı açığa çıkış oranı, basınç artış oranı, kümülatif ısı yayılımı incelenmiştir. Deneyler esnasında elde edilen veriler ile krank açısına bağlı olarak grafikler çizilmiştir. Yine bu verilerle, STD ve TBK dizel motorda tüm devir sayılarında ve tam yükte KA’ya bağlı yanma karakteristikleri ile ilgili çizelgeler oluşturulmuştur. Grafikler ve çizelgeler yardımıyla TBK’nın biyodizel yakıt üzerindeki etkisi incelenmiştir. Böylece, TBK’lı bir dizel motorda biyodizelin yanmaya olan etkileri belirlenmiştir. Ayrıca; B0, B6 ve B12 yakıt karışımları, TBK’lı yüzeylerde, aynı şartlar altında 50 saat süre ile dizel motorda test edilmiştir. Seramik kompozit ana kaplama malzemesi ile kaplanan pistonların yüzeylerinin enerji dağılım spektrometresi (EDS: Energy Distribution Spectrometry) ve SEM analizleri için motorda hiç çalıştırılmamış kaplanmış pistondan ve sırasıyla B0, B6, B12 yakıtlar kullanılarak 50 saat süre ile çalışan kaplanmış pistonlardan numune çıkarılarak inceleme yapılmıştır.
Bunun için, tek silindirli bir dizel motorun yanma odası elemanları olan silindir kapağı, piston ve supap parçalarının yüzeyleri plazma sprey metodu ile 250 µm kalınlığında
seramik kompozit Al2O3-ZrO2 (%20-%80) ana kaplama malzemesi ve 100 µm
kalınlığında NiCrAl ara tabaka malzemesi ile kaplanmıştır.
Seramik kompozit ana kaplama malzemesi ile kaplanan pistonların SEM görüntüleri ve EDS analiz sonuçları incelendiğinde, kaplama malzemesinin oldukça homojen bir şekilde yüzeylere nüfuz ettiği, çalışma sırasında yüzeylerde herhangi bir bozulmaya meydan vermeden yüksek performans ile çalışmaya imkan sağladığı görülmüştür. Bu çalışma ile TBK’lı bir dizel motorda biyodizelin yanmaya olan etkilerinin incelenmesi hem ulusal hem de uluslararası literatür açısından faydalı bir çalışma olacağı, yansımasının da ülke ekonomisine ve çevreye katkı sağlayacağı düşünülmektedir.
1.1. TERMAL BARİYER KAPLAMALAR İÇİN KAPLAMA MALZEMELERİ
Benzinli ve dizel motorlarda, TBK’lar altlık malzemesinin sıcaklığını azaltır. Malzemeyi; korozyon, oksitlenme, yanmış gazların sıcaklık gibi olumsuz etkilerinden ve aşınmadan korur. Soğutma havası miktarının azaltılması ve yanma sıcaklığının arttırılmasıyla yakıt tüketimi düşer. TBK’lar için kullanılabilen malzemelerin sayısı günümüzde oldukça sınırlıdır (Mert, Mert, & Sarıdemir, 2016). TBK’da genel olarak kullanılan malzemeler aşağıda verilmiştir.
1.1.1. YSZ (Yttria Stabilized Zirconia: Yitria ile Dengeli Zirkonya)
Seramik malzemeler düşük termal iletkenliğe, yüksek mekanik özelliklere ve termal direncine sahip oldukları için YSZ seramiği; pratik uygulamalarda termal bariyer kaplamalar için yaygın olarak kullanılır. Fakat YSZ, 1473 K sıcaklığı üzerinde uzun süreli uygulamalarda faz dönüşümü gösterdiği için uygun değildir. Ayrıca YSZ’nin ısıl iletkenlik katsayısı, nikel esaslı süper alaşım olan ana malzemeden daha küçüktür. Bu durum, termal bariyer kaplamalarda sık sık çatlaklara ve önemli termal gerilmelere neden olur. Çeşitli kaplama yöntemleri kullanılarak, YSZ’nin kontrol edilebilen mikroyapıları ile termal gerilmeler önlenebilir (Goto, 2005; Mishra, Kumar, Srimani, & Pathak, 2016). Yüksek sıcaklıktaki gaz türbini elemanları için, TBK’da en önemli özelliklerinden biri de ısıl iletkenliktir. TBK’nın ısıl iletkenliği, YSZ’nin mikro yapısına ve yoğunluğuna bağlıdır. YSZ’nin ısıl iletkenliği genellikle, 2,2 ile 2,6 W/mK aralığındadır. Buradan da anlaşılacağı üzere, YSZ kaplamaların ısıl iletkenliği düşüktür (Ke vd., 2005). Örneğin dizel motorlar ve gaz türbinlerinde en iyi performans için, yüksek sıcaklık uygulamalarında çok geniş çapta kullanılan 7-8 YSZ, bir TBK malzemesidir (Cao,
Vassen, & Stoever, 2004). YSZ üst kaplama PS veya elektron ışınlı fiziksel buhar çökelme (EBPVD) ile çökeltilir (Ke vd., 2005).
1.1.2. Mullite (Saf Çini)
Mullite; yüksek motor verimliliği sağlaması ve uzun ömürlü oluşundan dolayı, yeni yüksek sıcaklık malzemeleri içinde dikkat çekmektedir. 1473 K üzerindeki sıcaklıklarda motor performansını iyileştirmek için mullite üzerinde çalışmalar artmıştır. Düşük yoğunluğu, yüksek ısıl dengesi, yüksek kimyasal ortamlarda düşük ısıl iletkenliği, uygun dayanım ve sürünme davranışı gösterdiği için önemli bir seramik malzemesidir. Mullite, 3Al2O3.2SiO2 kompozisyonu ile SiO2 ve Al2O3’ün bir bileşiğidir. Mullite, YSZ ile
karşılaştırıldığında daha yüksek ısıl iletkenliğe, YSZ’den daha fazla oksijen direncine ve daha düşük bir ısıl genleşme katsayısına sahiptir. 1273 K’nin üzerinde mullite kaplamasının ısıl çevrimi YSZ’den daha kısadır. Mullite kaplama, 1023-1273 K’de kristalleşir, buna çatlak ve bağ çözümüne sebep olan bir hacimsel büzülme eşlik eder. Mullite ve SiC ikilisinin ısıl genleşme katsayıları benzer olduğu için mullite, SiC ana malzemesine en uygun olan kaplama malzemesidir (Cao, Vassen, & Stoever, 2004; Goto, 2005; Mishra, Kumar, Srimani, & Pathak, 2016).
1.1.3. Al2O3 (Alümina)
Mühendislik seramikleri içinde ekonomik ve yaygın olarak kullanılan malzemelerden birisi de alüminadır. Teknik açıdan yüksek performansa sahiptir. Alümina; özellikle iyi termal özellikleri, refrakterlik, iyi dielelektrik özellikler ve yüksek sertlikten dolayı geniş bir uygulama alanında kullanılan bir kaplama malzemesidir. 1473 K üzerindeki sıcaklıklarda motor performansını iyileştirmek için alümina üzerine çalışmalar artarak devam etmektedir. YSZ kaplamalarının üzerine bir dış kaplama olarak alümina püskürtülürek kaplamanın sertlik değeri arttırılır. Diğer taraftan alümina, YSZ ile karşılaştırıldığında oldukça yüksek ısıl iletkenliğe ve düşük ısıl genleşme katsayısına sahiptir. Alümina kaplamanın mekanik özellikleri, silisyum karbit fiberlerin birleşmesiyle önemli bir şekilde iyileştirilebilir. Alümina yalnız başına iyi bir TBK değildir. Alümina’nın YSZ ile birlikte kullanılmasıyla kaplamanın sertliği artar ve ana malzemenin oksidasyon direnci iyileşir (Adams, 2016; Cao, Vassen, & Stoever, 2004; Mishra, Kumar, Srimani, & Pathak, 2016).
1.1.4. CeO2 +YSZ
CeO2+YSZ, yüksek sıcaklıklarda uzun ömürlü kullanım ve yüksek motor verimliliğine
sahiptir. 1473 K üzerindeki sıcaklıklarda motor performansını iyileştirmek için CeO2+YSZ üzerine araştırmalar artmıştır. CeO2, YSZ’den daha yüksek ısıl genleşme
katsayısına ve daha düşük ısıl iletkenliğine sahiptir. YSZ kaplama içine CeO2’nin
eklenmesi, ısıl çevrim ömrünün iyileşmesini sağlar. Isıl şoka dayanıklılığının artması, YSZ içine CeO2 eklenerek elde edilir. Isıl genleşme katsayısı ise, CeO2+YSZ kaplama
içinde daha büyüktür. CeO2 ilave edilmesi sertliğin azalmasına ve CeO2’nin
buharlaşmasından dolayı kaplamanın oranının değişmesine sebep olur (Cao, Vassen, & Stoever, 2004; Mishra, Kumar, Srimani, & Pathak, 2016; Qiao vd., 2007).
1.1.5. La2Zr2O7 (Lantanyum Zirkonat)
Lantanyum zirkonat (LZ), termofiziksel özelliklerinden dolayı mükemmel TBK malzemelerden birisidir. 1473 K’nin üzerindeki sıcaklıklarda da motor performansını iyileştirmek için faydalanılmaktadır. Isıl işlem sıcaklığının LZ ile nanokristallerin kristal boyutuna etkisi üzerine araştırmalar yapılmıştır. Son zamanlarda La2Zr2O7, TBK
malzemesi olarak kullanılmaktadır. La2Zr2O7, YSZ’den daha düşük ısıl iletkenliğe
sahiptir. LZ malzemesinin kaplaması, YSZ kaplamasından daha uzun bir ısıl çevrim ömrü vermez. Bu durum, LZ’nin izafi olarak düşük olan dayanımı ve düşük olan ısıl genleşme katsayısındandır (Cao, Vassen, & Stoever, 2004; Mishra, Kumar, Srimani, & Pathak, 2016; Tong vd., 2008).
1.1.6. Silikatlar
Silikatlar, mineral grupları arasında en geniş gruptur. Silikatlar tüm minerallerin %30’unu oluşturup, yerkabuğunda var olan minerallerin de %90’ını meydana getirmektedirler. Yerkabuğunun en önemli mineral grubudur. Yer kabuğunda en çok bulunan iki elementi Si ve O’dir. TBK malzemeleri olarak önemli bir potansiyele sahiptirler ve kolayca elde edilebilirler. Bazalt (siyah mermer) bunlara örnek olarak verilebilir. Zirkon (ZrSiO4),
özellikle daha düşük sıcaklıklarda kimyasal olarak çok dengelidir. Zirkon gerçek bir ergime noktasına sahip değildir. Çünkü ergimeden önce ayrışır. Plazma sprey esnasında zirkon çözünür ve kaplamalar, amorf SiO2 ve kristalin ZrO2’nin bir karışımı olarak
oluşturulur. Dizel motorlar için TBK olarak zirkon kullanıldığı zaman, kaplama içinde ayrışan SiO2, SiO ve Si(OH)2’nin buharlaşmasından dolayı problemlere neden olabilir
1.1.7. Az Bulunur Yeryüzü Oksitleri
Az bulunur yeryüzü oksitlerinin karışımı, kolayca elde edilebilir ve çok ucuzdur. Az bulunur yeryüzü oksitlerinin kaplamaları (La2O3, CeO2, Pr2O3 ve Nb2O5 ana fazlar
olarak), ZrO2’den daha düşük ısıl yayınım ve daha yüksek ısıl genleşme katsayısına
sahiptir. TBK’lar olarak önemli bir potansiyele sahiptir. Bu malzemeler hakkında literatürde çok fazla bilgi yoktur (Cao, Vassen, & Stoever, 2004).
1.1.8. Metal-Cam Kompozitler
Metal-cam kompozitler yeni bir TBK malzemesidir. Metal-cam kompozitler için 1473 K’nin üzerindeki sıcaklıklarda motor performansını artırmak amaçlı çalışmalar sürmektedir. Doğal cam ve metalin toz karışımı, atmosferik plazma sprey ile uygulanabilir. Metal-cam kompozitlerinin uygun bir kompozisyonu için, metal ana malzeme ile benzer ısıl genleşme katsayısına sahip olmalıdır. Isıl iletkenliği YSZ’den daha büyük olması önemli bir etkendir (Cao, Vassen, & Stoever, 2004; Mishra, Kumar, Srimani, & Pathak, 2016).
1.1.9. Y3AlxFe5-xO12
Y3AlxFe5-xO12 için 1473 K’nin üzerindeki sıcaklıklarda motor performansını artırmak için
çalışmalar sürmektedir. Y3AlxFe5-xO12 (x=0, 0,7, 1,4 ve 5)’nin bileşimleri ile garnet
seramikler, TBK malzemeleri olarak tavsiye edilir. YAG (Y3Al5O12), özellikle daha
yüksek sıcaklıkta, düşük ısıl iletkenliğe ve 2243 K ergime noktasına bağlı, mükemmel faz/ısıl dengeli mekanik özelliklere sahiptir. YAG içindeki oksijen yayınımı, zirkonyadan daha düşüktür. Bu durum, daha fazla oksijen direnci sağladığından, bağ kaplama için daha iyi bir koruma sağlamaktadır. Bununla beraber, bu malzemenin oldukça düşük ısıl genleşme katsayısı (9,1x10-6 K-1) ve düşük ergime noktası, önemli bir problem olarak
görülür (Cao, Vassen, & Stoever, 2004; Mishra, Kumar, Srimani, & Pathak, 2016).
1.1.10. SrZrO3 ve BaZrO3
SrZrO3 ve BaZrO3 yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılmaktadır. TBK malzemesi
olarak, önceleri “perovskite” (kalsiyum titanat) yapılı sadece SrZrO3 ve BaZrO3
malzemeleri ile çalışılmıştır. Literatüre bakıldığında, eski yıllarda bu malzeme ile ilgili çalışmaların olduğu görülür. Çok yüksek ergime noktalarına (3073 K ve 2963 K) sahiptirler ve ısıl genleşme katsayıları sırasıyla 10,9x10-6 K-1 ve 7,9x10-6 K-1 dir.
ısıl şok direncine sahip olmadığı görülmüştür. SrZrO3’ün, ısıl şoka karşı direnci düşüktür
ve kararsız bir faz gösterir (Cao, Vassen, & Stoever, 2004; Zhao & Weinder, 1991).
1.1.11. Lantanyum Aluminyum Oksitler
Yeni geliştirilen aluminyum oksit esaslı seramik kaplamalar, La2O3, Al2O3 ve MgO’ten
meydana gelmişlerdir. Günümüzde bu malzemeler ile ilgili olarak kristalizasyon, mikro özellikler ve dielektrik özellikleri için araştırmalar yapılmaktadır. Literatürde, 1673 K üzerinde uzun süre yapısal ve termokimyasal kararlılığa sahip olduğu bildirilmiştir. (Cao, Vassen, & Stoever, 2004; Wang, Li, Xing, & Luo, 2015).
1.1.12. (Ca1-xMgx) Zr4 (PO4)6
(Ca1-xMgx) Zr4 (PO4)6 için 1473 K’nin üzerindeki sıcaklıklarda motor performansını
artırmak için araştırmalar sürmektedir. Literatürde bu malzeme ile ilgili, termal yayınım, gözeneklilik ve sıcaklık dayanımı açısından araştırmalar yapılmaktadır. (Ca1-xMgx) Zr4
(PO4)6, zirkonyadan daha düşük ısıl iletkenliğe sahip olduğu bildirilen ve ısıl genleşme
katsayısı yaklaşık sıfır olan bir malzemedir. Diğer taraftan, teorik yoğunluk olarak 3,2 g/cm3 - 5,8 g/cm3 ile, ZrO
2’den daha az yoğunluğa sahiptir. Ayrıca, iyi bir ısıl şok direnci
gösterdiğinden, 1773 K üzerindeki sıcaklıklarda dayanım kaybı gözlenmemiştir. Düşük ısıl genleşme katsayısından dolayı, TBK’lar için kullanılabilirliği açık değildir (Cao, Vassen, & Stoever, 2004; Mishra, Kumar, Srimani, & Pathak, 2016; Mo, 1994).
1.1.13. LaPO4 (Lantanyum Fosfat)
Lantanyum fosfatın, yüksek sıcaklık kararlılığı (ergime noktası 234520 K), yüksek ısıl genleşme ve düşük ısıl iletkenliği nedeniyle, nikel esaslı süper alaşımlar üzerine ısıl izolasyon malzemesi olarak kaplanmasında, potansiyel bir malzeme olarak düşünülmektedir. Son derece basit işlemlerden geçirilerek, sürekli lif ile güçlendirilmiş seramik kompozit malzemeler üretilmiştir. LaPO4 TBK malzemesi ile, mikroyapı, çekme
özellikleri üzerine çalışmalar yapılmıştır. Lantanyum fosfat, sülfür ve vanadyum tuzlarını içeren ortamlarda, iyi korozyon direncine sahiptir. Alümina ile reaksiyona girmemesi, önemli bir özelliğidir. PS ile lantanyum fosfatın kaplama yapılması çok zordur. Bu malzemeden yapılan kaplama, yüksek sıcaklık uygulamaları için güçlükle kullanılabilir ve hakkındaki ısıl çevrim testleri rapor edilmemiştir (Cao, Vassen, & Stoever, 2004; Davis, Marshall, & Morgan, 1999; Popova vd., 2014).
1.2. TERMAL BARİYER KAPLAMA MALZEMELERİN ÖZELLİKLERİ
Seramikler metallerle kıyaslandığında, daha iyi ısıl izolasyon, korozyon, aşınma direncine ve daha fazla oksidasyona sahiptirler. Son teknoloji ürünü TBK’lar, emisyonların azalmasını, yanmanın iyileşmesini ve motorun daha yüksek ısıl verimli olmasını sağlar. Termal yalıtımlı bileşenler, yanma odasından daha düşük ısı kaybı ile silindirdeki işin artmasını ve kullanılabilen egzoz gazlarının enerjiye dönüştürülme miktarını arttırarak mevcut enerjide bir artışa neden olur (Hejwowski & Weroński, 2002). TBK’lar için kullanılabilen malzemelerin sayısı oldukça sınırlıdır. Günümüze kadar, gereksinimleri yerine getirebilen yalnızca birkaç malzeme bulunmuştur. TBK malzemeleri olarak bilinen bazı seramik kaplama malzemeleri, örneğin Al2O3, zirkon,
TiO2, YSZ, La2Zr2O7, mullite, CeO2+YSZ ve CaO/MgO+ZrO2 vb. dir (Cao, Vassen, &
Stoever, 2004).
1.3. TERMAL BARİYER KAPLAMALARDA YÖNTEMLER
Günümüz teknolojisi, bir malzemeden elde edilmesi mümkün olmayan çeşitli özelliklerin kombinasyonuna sahip malzemelere ihtiyaç duymaktadır. Bunu yerine getirmek için kaplama teknikleri kullanılmaktadır. Elektro biriktirme, kimyasal buhar biriktirme (CVD), fiziksel buhar biriktirme (PVD), plazma ve termal spreyleme teknikleri ileri teknoloji uygulamaları için önemli kaplama yöntemleridir. Çeşitli kaplama yöntemleri Şekil 1.1’de gösterilmiştir (Türküz, 2006).
