Isıl Engelleme Kaplamalarında Efektif Isı Đletim Katsayısının Değişimi Eylül - 2007 Makina Mühendisliği Anabilim Dalı TEZĐ DOKTORA Özge Altun

Isıl Engelleme Kaplamalarında Efektif Isı Đletim Katsayısının Değişimi Özge Altun

DOKTORA TEZĐ

Makina Mühendisliği Anabilim Dalı Eylül - 2007

Changes In The Thermal Conductivity of Thermal Barrier Coatings

Özge Altun

DOCTORAL DISSERTATION Department of Mechanical Engineering

September - 2007

Özge Altun

Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Lisansüstü Yönetmeliği Uyarınca Makina Mühendisliği Anabilim Dalı Enerji - Termodinamik Bilim Dalında

DOKTORA TEZĐ Olarak Hazırlanmıştır

Danışman: Prof. Dr. Soner ALANYALI

Eylül 2007

Özge ALTUN’un DOKTORA tezi olarak hazırladığı “Isıl Engelleme Kaplamalarında Efektif Isı Đletim Katsayısının Değişimi” başlıklı bu çalışma, jürimizce lisansüstü yönetmeliğinin ilgili maddeleri uyarınca değerlendirilerek kabul edilmiştir.

Üye : Prof. Dr. Soner ALANYALI (Danışman)

Üye : Yrd. Doç. Dr. Erhan BÖKE

Üye : Prof. Dr. L. Berrin ERBAY

Üye : Yrd. Doç. Dr. Necati MAHĐR

Üye : Yrd. Doç. Dr. Özer AYDIN

Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu’nun ... tarih ve ...

sayılı kararıyla onaylanmıştır.

Prof. Dr. Abdurrahman KARAMANCIOĞLU Enstitü Müdürü

ÖZET

Günümüzde yüksek teknolojik gelişmeler kullanım yerine göre malzeme seçimini önemli kılmaktadır. Özellikle yüksek sıcaklıklarda çalışan parçalarda ısı iletim katsayıları düşük, mekanik dayanımları yüksek olan malzemeler tercih edilmektedir.

Isıl engelleme kaplamaları, gözenekli yapıları sayesinde düşük ısı iletim katsayısına sahip olmaları ve yüksek sıcaklıklara dayanımları nedeniyle günümüzde havacılık, dizel motor endüstrisi ve enerji santrallerinde tercih edilen bir kaplama türüdür. Seramik esaslı olan bu kaplama türü, çoğunlukla, Elektron Işın-Plazma Buhar Biriktirme (EB- PVD) ve Atmosferik Plazma Sprey (APS) olmak üzere iki farklı yöntemle uygulanmaktadır.

Bu tez çalışmasında, ısı iletim katsayısı düşük olan ve mühendislik amaçlı uygulamalar için önem taşıyan APS yöntemiyle uygulanan kaplamanın ısı iletim katsayısı incelenmiştir. Bu amaçla, farklı gözeneklilik oranlarında hazırlanan numuneler kullanılarak deneysel çalışmalar yapılmış, ayrıca sayısal modellemede gerçek mikroyapılar ele alınarak sonlu elemanlar metoduyla modellenmiştir. Sayısal modellemeden elde edilen ısı iletim katsayısı çözümleri ile deneylerden elde edilen sonuçlar kıyaslanmıştır. Çalışma sonucunda; gözeneklilik oranı belirlenen ısıl engelleme kaplamalarının mikro yapısının sayısal olarak modellenerek ısıl iletkenliğinin bulunabileceği, gözeneklilik oranı arttıkça efektif ısı iletim katsayısının azaldığı görülmüştür.

Anahtar Kelimeler: Isıl engelleme kaplamaları, ısı iletim katsayısı, atmosferik plazma sprey, gözenekli ortamda ısı geçişi, zirkonyum oksit kaplama.

CHANGES IN THE THERMAL CONDUCTIVITY OF THERMAL BARRIER COATINGS

ÖZGE ALTUN

SUMMARY

Nowadays, the selection of the materials for usage aim is getting important because of the new high technologic developments. Especially for the parts operating at high temperatures, the materials which have low thermal conductivity and high mechanical resistance are preferred. Thermal Barrier Coatings are used in aerospace, diesel engine and power plant technologies due to porous structures and low thermal conductivity. Generally this ceramic based coating is applied with two methods, Electron Beam-Plasma Vapor Deposition (EB-PVD) and Atmospheric Plasma Spray (APS).

In this study, the thermal conductivity of the coating that is required especially in low thermal conductivity aimed engineering applications and applied by APS method has been investigated. For this aim, experimental studies were made using specimens prepared in different porosity levels. Also for the numerical modelling, real microstuructures were analysed with Finite Element Method. The results obtained from numerical modelling were compared with experimental study. Finally, it has been shown that for a thermal barrier coating with known porosity level, the thermal conductivity could be calculated using numerical modelling and decrease while porosity level is increasing.

Keywords: Thermal barrier coatings, thermal conductivity, air plasma spray, heat transfer in porous media, zirconium oxid coating.

Danışmanım ve Bölüm başkanımız Sayın Prof. Dr. Soner Alanyalı’ya, tez çalışmam süresince akademik desteklerini ve deneyimlerini esirgemeyen Sayın Hocam Yrd. Doç. Dr. Erhan Böke’ye, deneysel çalışmalarımda yardımcı olan Şeniz Kuşhan ve Ayşe Kalemtaş’a, çalışmalarım boyunca bana desteklerini ve yardımlarını esirgemeyen anneme, babama, ablama ve kardeşime, sabırlarından dolayı eşime ve canım kızıma teşekkür ederim.

ĐÇĐNDEKĐLER

Sayfa

ÖZET... v

SUMMARY ...vi

TEŞEKKÜR ...vii

ŞEKĐLLER DĐZĐNĐ ... x

ÇĐZELGELER DĐZĐNĐ ...xiv

SĐMGELER VE KISALTMALAR DĐZĐNĐ ... xv

1. GĐRĐŞ ... 1

2. ISIL ENGELLEME KAPLAMALARI ... 4

2.1. Isıl Engelleme Kaplamalarının Önemi...4

2.1.1. Isıl engelleme kaplamalarının kullanım amaçları ...6

2.1.2. Isıl engelleme kaplamalarının kullanım alanları ...6

2.2. Isıl Sprey Kaplama ...10

2.3. Atmosferik Plazma Sprey Kaplama ...13

3. KAYNAK ARAŞTIRMASI ... 16

3.1 Deneysel Çalışmalar...16

3.1.1. Sürekli rejimde ısı iletim katsayısının ve ısıl yayılım katsayısının belirlenmesi ...17

3.1.2. Geçici rejimde ısı iletim katsayısının ve ısıl yayılım katsayısının belirlemesi ...20

3.2 Teorik Çalışmalar...28

3.3. Sayısal Çalışmalar ...35

4. APS KAPLAMALARIN EFEKTĐF ISI ĐLETĐM KATSAYISININ DENEYSEL TAYĐNĐ ...38

4.1. Numunelerin Hazırlanması ve Özellikleri ...38

4.2. Lazer Flaş Metodu ile Çeliğin Isı Đletim Katsayısının Tayini...40

4.3. Mukayese Metoduna Göre Isı Đletim Katsayısının Tayini ...44

4.4. Isı Đletim Katsayısı Hesap Yöntemi ...50

4.5. Görüntü Analizi...51

5.1. Sabit Sıcaklık Sınır Şartı Çözümleri ...59

5.1.1 Sayısal modelin oluşturulması ...60

5.1.2. Sayısal çözüm sonuçları ...66

5.2. Işınım Çözümü ...90

5.2.1 Sayısal modelin oluşturulması ...91

5.2.2. Sayısal çözüm sonuçları ...95

6. APS KAPLAMALARIN EFEKTĐF ISI ĐLETĐM KATSAYISININ TEORĐK OLARAK TAYĐN EDĐLMESĐ ...100

6.1 Teorik Hesaplama Yöntemi ...100

6.2. Teorik Hesaplama Sonuçları ...103

7. SONUÇLAR ... 107

KAYNAKLAR DĐZĐNĐ ... 111

EKLER... 11120

ÖZGEÇMĐŞ... 86134

ŞEKĐLLER DĐZĐNĐ

Şekil Sayfa

Şekil 2.1. Isıl engelleme kaplamasının şematik gösterimi (Herman, et al., 1993)...5

Şekil 2.2. Bir gaz türbin motoruna ait yanma odası (http://www.sulzermetco.com)...7

Şekil 2.3. Silindir ünitesinde enerji dengesi (Kvernes, 1983)...8

Şekil 2.4. Turboşarj gövdesine uygulanmış ısıl engelleme kaplaması (http://www.sulzermetco.com)...9

Şekil 2.5. Enerji santralindeki ısı kalkanı amaçlı kaplama uygulaması örneği (http://www.sulzermetco.com)...10

Şekil 2.6. Kaplama işleminde kullanılan tabanca örneği (http://www.sulzermetco.com). ...12

Şekil 2.7. Atmosferik Plazma Sprey yönteminde kullanılan ekipmanlar (http://www.sulzermetco.com)...14

Şekil 2.8. Atmosferik Plazma Sprey işleminin şematik gösterimi (http://www.sulzermetco.com)...15

Şekil 3.1. Muhafazalı levha deney sisteminin genel görünüşü (Sorai, 2004). ...18

Şekil 3.2. Kıyaslama metodu (Sorai, 2004). ...19

Şekil 3.3. Kızgın tel metodu (Speyer, 1994). ...21

Şekil 3.4. Lazer Flaş Metodu (Taylor, et al., 1999). ...21

Şekil 3.5. Muhafazalı levha, kızgın tel ve lazer flaş yöntemleri ölçüm aralığı (http://www.netzsch-thermal-analysis.com). ...23

Şekil 3.6. Đki fazlı malzemede faz yapıları (Richerson, 1992)...31

Şekil 3.7. Analitik modellerde kullanılan mikro yapıların şematik gösterimi ...33

Şekil 4.1. Mukayese yöntemiyle ölçüm yapmak için hazırlanmış numuneler...40

Şekil 4.2. LFA-457 Lazer flaş test düzeneği (http://www.netzsch-thermal-analysis.com). ...41

Şekil 4.3. LFA-457 cihazına yerleştirilmiş numunelerin görünümü...42

Şekil 4.4. Çelik numunelerin sıcaklığa göre ısıl yayılım katsayısı değerleri. ...43

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

gösterimi...46

Şekil 4.8. Deney sisteminde ölçüm alınan bölgenin görünümü...47

Şekil 4.9. Mukayese metodu ölçüm asamblesi şematik gösterimi...48

Şekil 4.10. Deney numunesinin şematik gösterimi. ...49

Şekil 4.11. Mukayese yöntemi ile elde edilen deneysel sonuçlar. ...51

Şekil 4.12. Gözeneklilik oranı % 16’ya ait 200x büyütmeli mikro yapı görüntüsü...54

Şekil 5.1. Sayısal yöntem çalışmalarını ve öncesini kapsayan aşamalar. ...56

Şekil 5.2. Gözenelilik oranı % 9.4 olan mikro yapının 200x büyütmeli görüntüsü...57

Şekil 5.3. Gözeneklilik oranı % 9.4 olan mikro yapı görüntüsüne ait SolidWorks çizimi. ...58

Şekil 5.4. Gözeneklilik oranı % 9.4 olan mikro yapı görüntüsü için Gambitte oluşturulan ağ yapısı. ...61

Şekil 5.5. Gözeneklilik oranı % 9.4 olan mikro yapı için Gambit programında oluşturulan sınır şartları...62

Şekil 5.6. Havanın ısı iletim katsayısının sıcaklığa göre değişimi...64

Şekil 5.7. Isıl engelleme kaplamasının özgül ısı değerinin sıcaklığa göre değişimi (Taylor, et al., 1999)...65

Şekil 5.8. Gözeneksiz ısıl engelleme kaplamasına ait ısı iletim katsayısının sıcaklığa göre değişimi (Schlichting, et al., 2001). ...65

Şekil 5.9. Gözeneklilik oranı % 9.4 olan 50 parçaya bölünmüş mikro yapı modeli...66

Şekil 5.10. Gözeneklilik oranı % 9.4’e ait dikey parçaların gözeneklilik dağılımı. ...67

Şekil 5.11. Gözeneklilik oranı % 9.4’e ait yatay parçaların gözeneklilik dağılımı. ...67

Şekil 5.12. Gözeneklilik oranı % 9.4 olan kolon 3’e ait hücrelerde gözeneklilik ve k/Q dağılımı. ...69

Şekil 5.13. Gözeneklilik oranı % 9.4 olan mikro yapı görüntüsüne ait 1273 K’deki çözüm için Fluent 6.1.22 analizinden elde edilen sıcaklık dağılımı. ...70

ŞEKĐLLER DĐZĐNĐ (Devam)

Şekil Sayfa Şekil 5.14. Gözeneklilik oranı %9.4 olan mikro yapı için kolon 4’e ait hücrelerde

gözeneklilik ve ∆T/∆y değişimi...71 Şekil 5.15. Gözeneklilik oranı %9.4 olan mikro yapı için kolon 2’e ait hücrelerde

gözeneklilik ve ∆T/∆y değişimi...72 Şekil 5.16. Gözeneklilik oranı % 9.4 olan mikro yapı için kolon 4 ve kolon 8’e ait

kalınlık- sıcaklık değişimi. ...73 Şekil 5.17. Gözeneklilik oranı %9.4 olan mikro yapıya ait kolon 4’teki hücre 2 ve

hücre 4 için kalınlığa göre sıcaklık dağılımı. ...74 Şekil 5.18. Gözeneklilik oranı % 9.4 olan mikro yapıya ait kolon 8’deki hücre 1-2 için

kalınlığa bağlı sıcaklık dağılımı. ...75 Şekil 5.19. Gözeneklilik oranı % 24.8 olan 100 eşit parçaya bölünmüş mikro yapı

modeli...76 Şekil 5.20. Gözeneklilik oranı % 24.8 olan mikro yapıya ait dikey parçalar için

gözeneklilik dağılımı...77 Şekil 5.21. Gözeneklilik oranı % 24.8 olan mikro yapıya ait yatay parçalar için

gözeneklilik dağılımı...77 Şekil 5.22. Gözeneklilik oranı % 24.8 olan mikro yapıya için kolon 3’e ait gözeneklilik

ve (k/Q) dağılımı. ...78 Şekil 5.23. Gözeneklilik oranı % 24.8 olan mikro yapı görüntüsüne ait 1273 K’deki

çözüm için Fluent 6.1.22 analizinden elde edilen sıcaklık dağılımı. ...79 Şekil 5.24. Gözeneklilik oranı % 24.8’e ait kolon 7 için sayısal çözümlemeden elde

edilen sıcaklık dağılımı. ...80 Şekil 5.25. Gözeneklilik oranı % 24.8 olan mikro yapı için kolon 7’e ait hücrelerde

gözeneklilik ve ∆T/∆y değişimi...81 Şekil 5.26. Gözeneklilik oranı % 51.6 olan 50 eşit parçaya bölünmüş mikroyapı modeli.

...81 Şekil 5.27. Gözeneklilik oranı % 51.6 olan mikro yapıya ait dikey parçaların

gözeneklilik dağılımı...82

Şekil 5.29. Gözeneklilik oranı % 51.6 olan mikro yapı için kolon 3’e ait hücrelerde gözeneklilik ve (k/Q) dağılımı. ...84 Şekil 5.30. Gözeneklilik oranı % 51.6 olan mikro yapı için kolon 1’e ait sıcaklık ve

ortalama gözenekliliğin kalınlığa göre değişimi. ...85 Şekil 5.31. Gözeneklilik oranı % 51.6 olan mikro yapı için kolon 1’e ait hücrelerde

gözeneklilik ve ∆T/∆y değişimi...86 Şekil 5.32. Gözeneklilik oranı % 51.6 olan mikro yapı görüntüsüne ait 1273 K’deki

çözüm için Fluent 6.1.22 analizinden elde edilen sıcaklık dağılımı. ...87 Şekil 5.33. Isı iletim katsayısının gözenekliliğe göre değişimi...88 Şekil 5.34. Farklı gözeneklilik oranları için ısı iletim katsayısının sıcaklığa göre

değişimi. ...89 Şekil 5.35. Işınım çözümü için gözeneklilik oranı % 24.8 olan mikroyapı görüntüsüne

ait Gambit programında oluşturulan sınır bölgeleri. ...92 Şekil 5.36. Işınım sabit sıcaklık çözümlerinin karşılaştırılması...95 Şekil 5.37. Gözeneklilik oranı % 9.4 olan mikro yapı görüntüsüne ait 1273 K’deki

ışınım çözümü için Fluent 6.1.22 analizinden elde edilen sıcaklık dağılımı. ...97 Şekil 5.38. Gözeneklilik oranı % 51.6 olan mikro yapı görüntüsüne ait 1273 K’deki

ışınım çözümü için Fluent 6.1.22 analizinden elde edilen sıcaklık dağılımı. ...98 Şekil 5.39. Fluent 6.1.22 analizi ile deneysel sonuçların kıyaslanması. ...99 Şekil 6.1. Raghavan (1998), Maxwell-Eucken (Wang, et. al., 2006) ve Gonzo (2002)

ifadelerinden elde edilen 800 ºC için gözenekliliğe göre k_ef / k_m değişimi. ...104 Şekil 6.2. Maxwell-Eucken, Gonzo, Baker, EMT ifadeleri ve Fluent 6.1.22 analizinden

elde edilen 800 ºC’de farklı gözeneklilik oranları için k_ef / k_m değişimi. ...105 Şekil 6.3. Gözeneklilik oranı % 12.4 olan mikro yapı için Gonzo, Baker ifadeleri ve

Fluent 6.1.22 analizinden elde edilen k_ef değerlerinin Raghavan ve arkadaşları (1999) tarafından yapılan deneysel sonuçlar ile karşılaştırılması. ...106

ÇĐZELGELER DĐZĐNĐ

Çizelge Sayfa Çizelge 3.1. Atmosferik Plazma Sprey (8YSZ) kaplama için literatürden elde edilen ısı

iletim katsayısı değerleri. ...27 Çizelge 4.1. Deney numunelerine ait parametreler ...39 Çizelge 5.1. Mikro yapı boyutları ve gözeneklilik oranları. ...58 Çizelge 5.2. Sabit sıcaklık çözümü için farklı gözeneklilik oranlarındaki ağ yapısına ait

düğüm noktası ve hücre sayısı. ...61 Çizelge 5.3. Fluent 6.1.22 programında 1000°C’de sabit sıcaklık çözüm için kullanılan

sınır şartları...63 Çizelge 5.4. Sabit sıcaklık çözümü için farklı gözeneklilik oranlarındaki ağ yapısına ait

düğüm noktası ve hücre sayısı. ...92 Çizelge 5.5. Fluent 6.1.22 programında 1000°C’de ışınım çözüm için kullanılan sınır

şartları...94 Çizelge 5.6. Gözeneklilik değişimine göre 800 ºC’de, sabit sıcaklık sınır şartı ve ışınım

çözümünden elde edilen efektif ısı iletim katsayısı değerleri. ...96

a Emilim katsayısı Cp Özgül ısı (J/kg K)

d Numune kalınlığı (mm)

f2D Efektif ısı iletim katsayısının malzemenin ısı iletim katsayısına oranı I Kızgın tel metodunda ısıtma akım şiddeti (A)

K Toplam ısı geçiş katsayısı

( _∑

)

k_ef Efektif ısı iletim katsayısı (W/m K)

n yansıma indeksi

P Gözeneklilik oranı rr

yer vektörü sr

yön vektörü

sr′ saçılma yönü vektörü

q′ Isı akısı (W/m)

Q Isı miktarı (W)

t Zaman (s)

T Sıcaklık (ºC)

∆T Sıcaklık farkı (T₂-T₁)

V Birim uzunluk başına gerilim düşmesi (Volt/m) v_g Gözeneklerin toplam hacmi

v_T Gözenekli malzemenin toplam hacmi vm Sürekli matris (katı faz) hacmi

ρ Yoğunluk (gr / cm³)

σs saçılma katsayısı

σ Stefan Boltzman sabiti (5.672×10^-8 W/m² .K⁴) α Isıl yayılım katsayısı (m² / s)

SĐMGELER VE KISALTMALAR DĐZĐNĐ (Devam)

Alt Đndisler Açıklama

ç Çelik malzeme

ref Referans malzeme

g Gözenek

m Katı faz (sürekli faz)

ef,deney Deneylerden elde edilen efektif değerler ef,fluent Fluent analizinden elde edilen efektif değerler fluent Fluent analizinden elde edilen değerler

T Toplam

numune,ç Kaplamasız çelik numune numune,k Kompozit numune

1 Referans malzemesinin üst yüzeyi

2 Referans malzemesini alt, numunenin üst yüzeyi

3 Numunenin üst yüzeyi

4 Numunenin alt yüzeyi

2D Đki boyutlu

Kısaltmalar Açıklama

APS Atmosferik Plazma Sprey CVD Kimyasal buhar biriktirme

EB-PVD Elektron ışın - fiziksel buhar biriktirme PVD Fiziksel buhar biriktirme

SEM Taramalı elektron mikroskobu YSZ Yitriya takviyeli zirkonya

paralel olarak ilerlemektedir. Yeni nesil endüstriyel tasarımlarda özellikle havacılık, otomobil ve enerji üretimi alanında tasarlanan parçaların işletim şartlarına dayanabilmesi, bu tasarımların kullanılabilmesi ve geliştirilebilmesi için hayati önem taşımaktadır. Bu nedenle malzemelere özellikle sıcak korozyona karşı dirençlerini artırmak, metalik bileşenlerin çalışma sıcaklıklarını azaltmak, çalışma ömrünü artırmak ve yalıtmak için ısıl engelleme kaplama tekniği uygulanmaktadır.

Gözenekli yapıya sahip seramik esaslı bu kaplamalar motor yanma odaları, egzoz manifoldu, piston başları ve türbin motorlarının yüksek sıcaklığa maruz bölgelerinde uygulanmaktadır. Bu uygulama sayesinde motor verimini artırmak, çalışma ömrünü uzatmak ve yakıt tasarrufu sağlanmaktadır. Bu nedenle kaplamanın termofiziksel özelliklerinin bilinmesi büyük önem taşımaktadır.

Isıl engelleme kaplamalarında kullanılan başlıca yöntemler Plazma Sprey ve Elektron – Işın Fiziksel Buhar Biriktirme (EB-PVD) yöntemleridir. Yöntem seçimi kullanım yeri, maliyet, avantaj ve dezavantajlara göre yapılmaktadır. Isıl engelleme kaplamalarında zirkonya (ZrO2) ve alümina (Al2O3) yaygın olarak kullanılan oksit seramik malzemelerdir.

Literatür taraması sonucunda, % 8 yitriya takviyeli zirkonya esaslı Atmosferik Plazma Sprey yöntemiyle yapılmış ısıl engelleme kaplamalarında, gözenekliliğin değişiminin efektif ısı iletim katsayısına etkisinin incelendiği ve gerçek mikro yapı görüntülerinin kullanılarak sayısal analizinin yapıldığı bir çalışmaya rastlanılmamıştır.

Bu tez çalışmasında, farklı gözeneklilik oranlarında yapılmış %8 yitriya takviyeli zirkonya (8 YSZ) esaslı Atmosferik Plazma Sprey kaplamada ısı iletim katsayısının değişimi deneysel, sayısal ve analitik olarak incelenmiştir. Kaplama işlemi esnasında, farklı gözeneklilik oranlarına sahip kaplamalar elde etmek için kaplamanın uygulanma mesafesinin değiştirilmesi gerekmektedir. Kaplama tabancası ile kaplanacak malzeme arasındaki mesafe arttıkça gözeneklilik oranı yüksek yapı elde edilmektedir.

Deneysel çalışmalarda, ilk aşamada lazer flaş ve ikinci aşamada ise mukayese metodu kullanılmıştır. Her iki yöntem için deney sistemlerinin ihtiyacına bağlı olarak farklı boyutlarda ve özelliklerde numuneler hazırlanmıştır. Lazer flaş metodu için 321 paslanmaz çelik numuneler, mukayese metodu için ise 321 paslanmaz çelik üzerine ısıl engelleme kaplaması uygulanmış numuneler kullanılmıştır. Lazer flaş metodunda 321 paslanmaz çeliğin ısı iletim katsayısının sıcaklığa göre değişimi oda sıcaklığı ile 900 ºC arasında tayin edilmiştir. Mukayese metodunda, referans malzemesi olarak kullanılan çeliğin ısı iletim katsayısı değerlerinden yararlanılarak kaplamanın efektif ısı iletim katsayısı oda sıcaklığı ile 600 ºC arasında elde edilmiştir.

Nümerik analiz aşamasında, kaplamaların gerçek mikro yapı görüntüleri kullanılmıştır. Metalurjik incelemelerde kaplamaların gözeneklilik oranları hassas bir şekilde tayin edilmiştir. Gerçek mikro yapı görüntülerinin, analizi yapılabilecek geometrilere dönüştürülmesi için SolidWorks programı kullanılmıştır. Bu aşamada, düzensiz yapıya sahip gözeneklerin ve metalurjik analizden elde edilen gözeneklilik oranına bire bir uyacak şekilde geometrinin oluşturulabilmesi için yüksek hassasiyette çalışılmıştır. SolidWorks programında oluşturulan geometriler Gambit programına aktarılmış ve Gambit programında geometrilerin sayısal analizinin yapılabilmesi için gerekli olan ağ yapısı ve sınır bölgeleri tanımlanmıştır. Analizlerde hem kaplamanın gerçek kullanım şartlarını modelleyecek şekilde, hem de sadece kaplamaya ait farklı geometriler oluşturulmuştur.

bu geometriler 50 eşit parçaya bölünmüştür. Her parça için gözeneklilik oranı ve sıcaklık dağılımı hesaplanmıştır.

Analitik çözüm aşamasında, literatürde gözenekli malzemelerin efektif ısı iletim katsayısını tayin etmek için türetilmiş ifadeler incelenmiştir. Araştırmalar sonucunda ifadelerin iki farklı kategoride olduğu belirlenmiştir. Çalışmaların bir kısmında sadece gözeneklilik oranlarının dikkate alındığı, bir kısmında da gözenek boyutlarının ve şekillerinin de hesaba katıldığı belirlenmiştir. Her iki gruba ait ifadeler kullanılarak deneysel ve sayısal olarak tayin edilen efektif ısı iletim katsayıları ile kıyaslanmıştır.

BÖLÜM 2

ISIL ENGELLEME KAPLAMALARI

Kaplama teknolojileri günümüzde çok çeşitli alanlarda kullanılmakta olup, malzemelerin kullanım yerlerine göre uygun olan kaplama yöntemleri tercih edilmektedir. Kaplamanın tipi, kaplanacak yüzeyin özellikleri ve işin boyutuna göre belirlenir. Kaplama işlemlerinin birçoğu yapışma ve yalıtma özeliklerini iyileştirmek için ısıl işlem uygulamasını içerir. Kaplamalar, fırça ile sürülerek, sprey yapılarak, sıcak banyo veya ortamda tutularak (difüzyon kontrollü işlem), Kimyasal Buhar Biriktirme (Chemical Vapor Deposition) ve Fiziksel Buhar Biriktirme (Physical Vapor Deposition) yöntemleri ile gerçekleştirildiği gibi Plazma Sprey yöntemiyle de yapılmaktadır (Geçkinli, 1991).

Bu çalışmada yüksek sıcaklıklarda çalışan metallerin kaplanmasında kullanılan bir seramik kaplama türü olan Atmosferik Plazma Sprey (APS) kaplamanın efektif ısı iletim katsayısı incelenmiştir.

2.1. Isıl Engelleme Kaplamalarının Önemi

Isıl engelleme kaplamaları, yoğun olarak yüksek sıcaklığa maruz kalan parçalarda uygulanmakta olup; metallerin, ısıl iletkenlik değerleri oldukça düşük olan seramik malzemelerle kaplanması yöntemidir. Böylece seramik kaplama, metal ve seramik malzemelerin üstün özelliklerinin bir araya gelmesine imkan vermektedir (Geçkinli, 1991). Bu kaplamalar malzemenin yüzey sıcaklığını azaltmakla birlikte termal şok yüklerini ve ani sıcaklık artışlarında malzeme üzerine olan etkilerini de azaltmaktadır (Davis, 1997).

Seramik kaplamanın, kaplanacak yüzeye (tabana) yapışması en önemli parametrelerden biridir. Kaplamada, çatlama ve pullamayı önlemek için kaplama ile taban malzemesinin ısıl genleşme katsayıları birbiri ile uyumlu olmalıdır. Kaplamanın

kadar ısı iletim katsayısı hakkında bilgiye de ihtiyaç duymaktadır (Geçkinli, 1991).

Bir ısıl engelleme kaplaması, Şekil 2.1’de görüldüğü gibi metal bir ana malzeme üzerine bağlayıcı bir katman ve onu üzerine uygulanan seramik kaplamadan oluşmaktadır.

Şekil 2.1. Isıl engelleme kaplamasının şematik gösterimi (Herman, et al., 1993).

2.1.1. Isıl engelleme kaplamalarının kullanım amaçları

Isıl engelleme kaplamaları metal yüzeylerini ısıya, korozyona, oksidasyona ve aşınmaya karşı korumak amacıyla uygulanmaktadır.

Isıl engelleme kaplamalarında aranan özellikler aşağıdaki gibi sıralanabilir;

a. Düşük ısıl iletkenlik,

b. Kaplanacak metal ile seramik kaplamanın ısıl genleşme karakteristiklerinin birbirine yakın olması,

c. Mekanik gerilmelere karşı dayanıklı olması, d. Kristal yapının sıcaklıkla değişmemesi,

e. Kullanılan ortamda, termodinamik kararlılık göstermesi, f. Yansıtıcılığının yüksek olması,

g. Kolayca tamir edilebilmesi.

Plazma Sprey yöntemiyle uygulanan ısıl engelleme kaplamalarında gözeneğin yer alması, ısıl koruma ve ısıl gerilme direncinin gelişmesine katkıda bulunmaktadır (Geçkinli, 1991). Fakat kaplamanın ısı iletim katsayısını düşürecek olan gözenek oranının fazla olması, diğer taraftan kaplamanın mekanik dayanımını azaltmaktadır. Bu nedenle pratik uygulamalarda gözeneklilik oranı % 9-15 arasında değişmektedir.

2.1.2. Isıl engelleme kaplamalarının kullanım alanları

Isıl engelleme kaplamaları özellikle havacılık ve uzay sanayinde olmak üzere, dizel motor endüstrilerinde ve enerji santrallerinde tercih edilmektedir. Gelişen teknoloji ile birlikte uygulama yöntemlerinin çeşitliliğinin artması ile de giderek yaygınlaşmaktadır.

türbinli motorlarda verimi artırmak ve yakıt tasarrufu için temel yol türbin çalışma sıcaklığının artırılmasıdır. Bu da gaz türbininde yanma sıcaklığının artırılması ile sağlanır. Artan yüksek gaz sıcaklıkları, çoğunluğu türbin bölgesinde olmak üzere parçalar üzerinde daha yüksek ısıl yükler meydana getirmektedir. Isıl engelleme kaplamaları düşük ısıl iletkenlik seviyeleri sayesinde parçaların maruz kaldıkları ısıyı azaltarak daha yüksek verimde çalışmayı sağlarken, parçaların kullanım ömürlerini uzatarak maliyetleri düşürmektedir (Taylor, et al., 1999).

Şekil 2.2’de ısıl engelleme kaplamalarının yaygın olarak kullanıldığı gaz türbinli motorlara ait yanma odası parçası gösterilmiştir. Yüksek sıcaklıktaki yanmış gazlarla temas eden bölgeler ısıl engelleme kaplamaları ile kaplanmaktadır.

Şekil 2.2. Bir gaz türbin motoruna ait yanma odası (http://www.sulzermetco.com).

Dizel motorlarındaki uygulamalar

Dizel motorlarında, ısıl engelleme kaplaması uygulamaları ile soğutma sistemine transfer edilen enerjinin azaltılması, hatta soğutma sisteminin ortadan kaldırılması hedeflenmektedir (Brindley and Miller, 1989; http://www.obitet.gazi.edu.tr). Kaplama uygulaması ile yanma sıcaklığı artırılabilmekte, aynı zamanda soğutma sisteminde ısı kaybı da azaltılmaktadır. Bu fazla ısı turboşarjda ya da birleştirilmiş çevrimde egzoz gazından geri alınmaktadır. Bazı çalışmalar ısıl engelleme kaplamalarının dizel motorlarında ısıl verim katsayısını artırdığını ve yakıt tüketimini azalttığını göstermektedir (Swaminathan and Cheruvu 1994; Cernuschi, et al., 2004).

Şekil 2.3’te bir silindir ünitesinden yakıtın yanması ile elde edilen enerjinin kullanımı görülmektedir. Enerjinin %56’sı yanma işlemi boyunca soğutma havası/suyu ve egzoz işlemi ile kaybolmaktadır. Yanma sonucunda elde edilen enerjinin daha büyük kısmını işe çevirebilmek için kaybolan enerji miktarının azaltılması gerekmektedir. Bu nedenle parçaların, ısıl yalıtım özelliği olan bir tabaka ile kaplaması avantaj sağlamaktadır.

Şekil 2.3. Silindir ünitesinde enerji dengesi (Kvernes, 1983).

Şekil 2.4. Turboşarj gövdesine uygulanmış ısıl engelleme kaplaması (http://www.sulzermetco.com).

Enerji santrallerindeki uygulamalar

Günümüzde enerji ihtiyacı taleplerinin artması nedeniyle güç santrallerinin kullanımları giderek yaygınlaşmaktadır. Endüstriyel gaz türbinlerinde yüksek ısıl verim, düşük emisyon ve yüksek güç elde edilmek istenilmektedir. Isıl verimi artırmak için özel parçalar kullanılmakta, bunun yanında yüksek teknoloji gerektiren prosesler de uygulanmaktadır.

Isıl engelleme kaplamaları enerji santrallerindeki gaz türbini parçalarının servis ömürlerini uzatmak ve yüksek sıcaklıklara karşı korumak amacıyla uygulanır.

Şekil 2.5’te yanma bölgesindeki yüksek ısı kalkanı amaçlı uygulanmış ısıl engelleme kaplaması örneği gösterilmiştir.

Şekil 2.5. Enerji santralindeki ısı kalkanı amaçlı kaplama uygulaması örneği (http://www.sulzermetco.com).

2.2. Isıl Sprey Kaplama

Isıl sprey kaplama yöntemleri başlıca ısıl engelleme kaplamaları uygulamaları olmak üzere, kaplanan malzemenin aşınma, sürtünme ve korozyon dirençlerinin artırılması, aşınmış parçaların kaplanmak suretiyle orijinal ölçülerine getirilerek tekrar kullanımlarının sağlanması açısından tercih edilmektedir. Đlk ısıl sprey işleminin bulunuşu 1911 yılında Đsviçre’de M. U. Schopp’a atfedilmekte ve alev spreyi olarak bilinmektedir (Tucker, 1999). Isıl engelleme kaplamaları üzerinde araştırma çalışmalarının başlaması ise 1950’li yılların ortalarından itibaren olmuştur (Herman, et al., 1993).

yüzeye yapışmakta, üst üste binerek birbirine kenetlenmektedir (Tucker, 1999).

Đstenilen kalınlığa ulaşıldığında işlem sonlandırılmakta ve soğuyan yaprak şeklindeki katmanlar kaplamayı oluşturmaktadır.

Isıl sprey işleminin en büyük avantajı, kaplama için kullanılacak malzeme çeşitliliğinin geniş olmasıdır. Gerçekte ayrıştırma olmaksızın eriyen herhangi bir malzeme kullanılabilir. Đkinci büyük avantajı ana malzemeyi önemli ölçüde ısıtılmaya ihtiyaç duyulmadan kaplanabilir olmasıdır. Böylece malzemede ısıl-kimyasal işleme tabi tutulan kısmın özellikleri değişmeden bu işlem uygulanabilir. Üçüncü avantajı ise kaplamanın ana malzemeye zarar vermeden kaldırılabilmesi ve yeniden kaplama yapılabilme imkanını sağlamasıdır. Bu kaplama yönteminin başlıca dezavantajı uygulama hattı ile ilgili olup, sadece tabancanın görebildiği alanlar kaplanabilmektedir.

Tabancanın giremeyeceği küçüklükteki ve derinlikteki boyutlar için zorluklarla karşılaşılabilmektedir (Tucker, 1999). Şekil 2.6’da Atmosferik Plazma Sprey kaplama işleminde kullanılan kaplama tabancası örneği gösterilmiştir.

Şekil 2.6. Kaplama işleminde kullanılan tabanca örneği (http://www.sulzermetco.com).

Isıl sprey yönteminde kullanılan başlıca teknikler;

1. Alev sprey tekniği 1.1. Toz alev spreyi 1.2. Tel alev spreyi 1.3. Çubuk alev spreyi 1.4. Patlamalı tabanca spreyi

1.5. Yüksek hızlı oksi-asetilen spreyi 2. Elektrik-ark spreyi

3. Plazma sprey teknikleri 3.1. Atmosferik plazma sprey

3.2. Düşük basınçlı plazma sprey (Herman and Sulit 2000; Knight, et al., 2002; Wick, et al., 1985)

Isıl engelleme kaplama uygulamaları hem ısıl sprey yöntemleri vasıtasıyla hem de EB-PVD olarak adlandırılan yöntemle uygulanmaktadır. Isıl sprey teknikleri içerisinde en çok tercih edilen ısıl engelleme kaplama yöntemleri Atmosferik Plazma

2.3. Atmosferik Plazma Sprey Kaplama

Isıl engelleme kaplaması olarak düşünülen malzemelerden oksitler, endüstride kullanılan kaplamaların önemli bir kısmını oluşturmaktadır. Al₂O₃ (Alüminyun oksit - Alümina), ZrO₂ (Zirkonyum oksit), krom oksit ve titanyum oksit kaplama malzemesi olarak tercih edilmektedir. Al₂O₃ ve ZrO₂ yüksek sıcaklıklarda iyi kimyasal kararlılık, düşük yoğunluk, düşük ısıl genleşme ve ısı iletim katsayısı, yüksek ergime noktası ve yüksek sertlik değerlerini içeren istenilen karakteristik değerlere sahiptir ve ısıl engelleme kaplaması malzemesi olarak yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Oksit esaslı bu malzemelerin kaplanmasında çoğunlukla Atmosferik Plazma Sprey yöntemi tercih edilmektedir.

Atmosferik Plazma Sprey yöntemi çeşitli malzemelerin kullanımına imkan vermesi, kaplama karakteristiklerinin kolayca değiştirilebilmesi (gözeneklilik, kalınlık vb.), kaplamanın genelinde homojen yapıya sahip olması ve teçhizat maliyeti açısından ekonomik bir sistem olması nedeniyle tercih edilmektedir. Şekil 2.7’de Atmosferik Plazma Sprey yönteminde kullanılan teçhizatlar gösterilmiştir ve bu ekipmanlar;

- Sprey tabancası - Güç kaynağı

- Gaz besleme ünitesi - Toz besleme ünitesi - Soğutma ünitesi ve - Kontrol ünitesinden

oluşmaktadır.

Şekil 2.7. Atmosferik Plazma Sprey yönteminde kullanılan ekipmanlar (http://www.sulzermetco.com).

Sprey tabancası, en önemli ekipmandır ve tüm plazma işlemi tabancada meydana gelmektedir. Đşlem boyunca argon, nitrojen, helyum veya hidrojen gazları plazma gazları olarak kullanılmaktadır. Plazma gazları katot ve aynı zamanda nozul görevi de gören anot arasında oluşturulan elektrik ark ile iyonize edilmektedir (Şekil 2.8). Gazlar katodun etrafından ve nozulun yani anodun içinden geçmektedir.

Daha sonra atomik parçacıklar yeniden birleşmekte ve çok büyük miktarda enerji oluşturmaktadır. Oluşan plazmanın sıcaklığı 10.000 ºC’den fazladır ve nozuldan plazma alevi olarak püskürtülmektedir.

Şekil 2.8. Atmosferik Plazma Sprey işleminin şematik gösterimi (http://www.sulzermetco.com).

Toz halindeki kaplanacak malzeme, plazma içerisine enjekte edilir, burada erir ve basınçlı hava ile hızı da artırılarak parça yüzeyine kaplanmaktadır. Malzeme kullanımının çeşitliliği toz besleyici kısmındaki malzemenin değiştirilmesiyle kolaylıkla sağlanabilmektedir. Ayrıca işlem öncesinde ya da işlem boyunca ana malzemenin ısıtılmasına gerek bulunmamaktadır.

Bu tez çalışmasında sprey tabancası ile ana malzeme arasında bulunan mesafe değiştirilerek farklı gözeneklilik oranına sahip kaplamalar elde edilmiş ve bu kaplamaların ısı iletim katsayısının gözenekliliğe göre değişimi deneysel, sayısal ve analitik olarak elde edilmiştir.

BÖLÜM 3

KAYNAK ARAŞTIRMASI

3.1 Deneysel Çalışmalar

Isı iletim katsayısını belirlemede kullanılan yöntemler sürekli rejim ve geçici rejim olmak üzere iki ayrı sınıfta toplanabilir. Ele alınan noktanın sıcaklığı zamanla değişiyorsa durum geçici rejim olarak, eğer sıcaklık zamanla sabit kalmakta ve değişmiyorsa durum sürekli rejim olarak adlandırılmaktadır.

Isı geçişi işlemlerini, uygun an denklemleri ile nicelemek mümkündür. Bu denklemler, birim zamanda aktarılan enerji miktarını hesaplamak için kullanılabilir. Isı iletimi için an denklemi, Fourier Yasası olarak bilinir. T(x) sıcaklık dağılımına sahip, bir-boyutlu düz duvar için an denklemi

dx kdT

q_x′ =− (3.1)

şeklinde ifade edilir. Isı akısı q′ , ısı geçiş doğrultusuna dik birim yüzeyden, birim _x zamanda, x doğrultusunda geçen ısıdır ve bu doğrultudaki sıcaklık gradyanı dT/dx ile doğru orantılıdır. Orantı katsayısı k, ısı iletim katsayısı (W/m K) olarak adlandırılan bir aktarım özelliğidir ve duvar malzemesi ile ilişkilidir. Eksi işareti, ısı geçişinin, sıcaklığın azaldığı yönde gerçekleşmesinin bir sonucudur (Incropera, 2001).

Birim hacim için ısıl denge yazılırsa;

(

)

t

C_p T =∇ ∇

∂

∂ .

ρ ^(3.2)

denklemi elde edilir. Bu denklemde ρ maddenin yoğunluğu, Cp sabit basınçta özgül ısı değeridir. Denklem (3.2) düzenlenirse;

T C T

k t T

p

2

2 = ∇

∇

∂ =

∂ α

ρ

(3.3)

bileşimine bağlı malzemenin fiziksel özellikleridir. Isı iletim katsayısının gözenekliliğe bağlı olarak değişimi Bölüm 4 ve Bölüm 5’te detaylı olarak ele alınmıştır.

3.1.1. Sürekli rejimde ısı iletim katsayısının ve ısıl yayılım katsayısının belirlenmesi

Sürekli rejim metodu sıvıların ve katıların ısı iletim katsayısını ölçmede kullanılabilen bir yöntemdir. Bir boyutlu Fourier yasasının kullanımıyla;

T A K

Q= . .∆ (3.5)

elde edilir. Burada, K toplam ısı geçiş katsayısı, A ısı geçiş yönüne dik alan ve ∆T sıcaklık farkıdır. Bu metot herhangi bir malzemenin ısı iletim katsayısını doğrudan ölçmek için kullanılan temel bir metottur. Bununla birlikte ısı kaybının ışınım ve taşınım gibi farklı mekanizmalarda olduğu durumlar için düşük ısı iletim katsayılı numunede sürekli rejimi sağlamak için uzun zaman geçmesi gerekmektedir. Bu nedenle örneğin adyabatik şartların uygulandığı durumda ısı akısının gerçek değeri dikkatli bir şekilde ölçülmelidir.

Sürekli rejim metodu gerçek metot ve karşılaştırmalı metot olarak iki kategoride sınıflandırılmıştır. Gerçek metotta iki farklı nokta arasındaki sıcaklık gradyantı ve ısı akısının gerçek değeri ölçülmektedir. Muhafazalı levha metodu (ASTM C177, TSE EN 674), bu metotla ölçüm yapan bir yöntemdir ve şematik olarak Şekil 3.1’de gösterilmiştir. Sistemdeki sıcaklık dağılımı sabitlendiğinde, ısı iletim katsayısı;

A T

d k Q

. . 2

.

= ∆ (3.6)

denkleminden elde edilir. Burada ∆T numune yüzeyindeki direnç termometresi tarafından ölçülmüş sıcaklık farkı, A yüzey alanı, d numune kalınlığı ve Q ana ısı kaynağının elektrik enerjisidir. Merkezdeki ana ısıtıcıdan yatay yönde olan ısı kaybını ortadan kaldırmak için bu ısıtıcı çevresine yerleştirilen muhafaza ısıtıcının sıcaklığı, ana ısıtıcı sıcaklığında olacak şekilde otomatik kontrol ile ayarlanmaktadır. Birçok durumda numune, 200 mm × 200 mm alanında ve 30 mm’den daha az kalınlıkta plaka şeklindedir. Genellikle düşük ısı iletim katsayılı malzemelerde ısı iletim katsayısı tayini yapabilmek için birkaç saatlik deney süresi gerekmektedir.

Şekil 3.1. Muhafazalı levha deney sisteminin genel görünüşü (Sorai, 2004).

Test numunelerinden alınan sıcaklık değerlerinin kararlı olduğu durum sağlandığında ölçüm işlemi tamamlanır.

Kıyaslama metodunda (ASTM E1225) sıcaklık değişimi hem numuneden hem de ısı iletim katsayısını bildiğimiz referans malzemesinden ölçülmektedir. Bu yöntemde ısı akısının gerçek değerini ölçmeye gerek yoktur.

A : ısıtıcı,

B : yüzey plakaları, C : muhafazalı ısıtıcı,

D : muhafazalı yüzey plakası, E : soğutma ünitesi,

F : diferansiyel termokupllar,

G : ısıtılan birim yüzey termokuplları, H : soğutma yüzeyi termokuplları, I : test numuneleri

Şekil 3.2. Kıyaslama metodu (Sorai, 2004).

Burada T₁ – T₆ her bir bölgedeki sıcaklık değerleridir. Numune ve referans plakası iki ısıtıcı arasına yerleştirilmiştir; biri yüksek sıcaklık kaynağı, diğeri ise düşük sıcaklık kaynağıdır. Numune sıcaklığının sabit kaldığı sürekli rejim durumu sağlandığında ölçüm işlemi tamamlanmakta ve ısı iletim katsayısı;

numune ref ref

numune ref

numune

T T d

k d

k ∆

= ∆ (3.7)

denkleminden hesaplanmaktadır.

R : referans malzeme, H_H : üst ısıtıcı,

HL : alt ısıtıcı,

GH : üst muhafazalı ısıtıcı, GL : alt muhafazalı ısıtıcı

Numune alt ve üst yüzey sıcaklık farkı;

3

4 T

T T_numune = −

∆ ve

[ (

) (

) ]

2

1 T T T T

T_ref = − + −

∆ (3.8)

eşitliği yazılabilir. Bu yöntemde ısı akısının gerçek değeri ölçülmediğinden doğru ölçüm alabilmek için dikkatli çalışılmalıdır (Sorai, 2004).

3.1.2. Geçici rejimde ısı iletim katsayısının ve ısıl yayılım katsayısının belirlemesi

Geçici rejim metodu, bir enerji girdisi ya da alternatif akım (AC) ile meydana gelen sıcaklık değişiminin ölçüldüğü genel bir metottur. Tam sıcaklık dengesinin sağlanmasına ve özel boyutlu numune grubuna ihtiyaç duyulmamakta, bu nedenle sıcaklığın hızlı değişebilmesi ve numunenin küçük ve ince olması bu metotta avantaj sağlamaktadır.

Kızgın tel metodu (ASTM C 1113, TSE EN 993) akışkan ve katıların ısı iletim katsayısını doğrudan ölçen tipik bir temaslı geçici rejim metodudur. Kızgın tel metodunun şematik gösterimi Şekil 3.3’te verilmiştir. Oldukça ince bir metal telin sıcaklığı ısıtıcıyla kademeli bir şekilde değişmekte ve zamana bağlı olarak takip edilmektedir. Meydana gelen ısı tüm yönlerde ışımaktadır ve bu malzeme içindeki sıcaklığın zamanla artmasına sebep olmaktadır. Birçok durumda telin sıcaklık ile direncinin değişimi sebebiyle sıcaklık sensörü gibi davranır. Malzemenin ısı iletim katsayısı basit bir formülle elde edilebilir;

2 1

1 2 / ) ln(

.

4 T T

t VI t

k = ×∆ −∆ π

(3.9)

Burada I ısıtma akım şiddeti (amper), V birim uzunluk başına kızgın telin gerilim düşmesi (Volt/m), (t₁, t₂) ısıtma başladıktan sonra geçen zaman, (∆T₁ – ∆T₂) ısıtma işlemi başladıktan sonra t₁ ve t₂ zamanlarında kızgın telin sıcaklığındaki artıştır.

Şekil 3.3. Kızgın tel metodu (Speyer, 1994).

Lazer flash metodu (ASTM E1461) tipik bir temassız geçici rejim metodudur.

Ani ısı sinyalleri lazer tarafından üretilmekte ve numunenin ön yüzeyinden emilmektedir. Bu ısı sinyali numunenin diğer yüzeyine iletilmekte ve sıcaklık artışı bir sensör ile izlenmektedir. Lazer flaş yöntemi ile ölçüm yapan test düzeneği şematik olarak Şekil 3.4’te gösterilmiştir.

Şekil 3.4. Lazer Flaş Metodu (Taylor, et al., 1999).

Lazer kaynağı vasıtasıyla ısıtılan numunenin arka yüzeyindeki sıcaklık değişimi cihaz tarafından zamanın fonksiyonu olarak kaydedilir. Numune arka yüzeyindeki sıcaklık değişimi,

( ) ( )



 







 



−

− +

=

∆

∑

=1 2

2 2

2 1 2 1 exp

,

n

n

p d

t n r

d C t Q d

T π α

π ρ

(3.10)

ile ifade edilir. Burada Q numunenin ön yüzeyinden emilen enerji, d ve r sırasıyla numunenin kalınlığı ve yarıçapıdır. Sistemde, ölçüm yapılacak sıcaklık değerlerine ulaşıncaya kadar numunenin sıcaklık değerleri bilgisayar sistemi tarafından sürekli analiz edilir ve veri tabanındaki standart eğri ile karşılaştırılarak ısıl yayılım katsayısı değerleri elde edilir. Isıl yayılım katsayısı numune kalınlığı (d) ve ısı transfer yarı süresi (t_1/2) kullanılarak Denklem 3.11’deki ifade ile hesaplanır.

2 / 1 2

37 2

, 1

t d

α = π (3.11)

Bu teknik, numune boyutlarının çok küçük ve ölçüm zamanının kısa olması nedeniyle geniş bir alanda kullanılmaktadır. Fakat yüksek sıcaklık ölçümleri için numunede radyasyona bağlı hasara neden olmamak için önlem alınmalıdır. Yarı geçirgen bir numune için yüzeyde siyah bir kaplamaya ihtiyaç duyulmakta ve ince bir numune için sıcaklık artışı dikkatli bir şekilde kontrol edilmelidir.

Muhafazalı levha, kızgın tel ve lazer flaş yöntemleri için ölçüm sıcaklık aralığı Şekil 3.5‘te verilmiştir.

Şekil 3.5. Muhafazalı levha, kızgın tel ve lazer flaş yöntemleri ölçüm aralığı (http://www.netzsch-thermal-analysis.com).

Her bir metot teknik avantaj ve dezavantajlara sahiptir. Lazer flaş tekniği oda sıcaklığının altındaki sıcaklıklardan ana malzemenin erime sıcaklığına kadar kolayca kullanılabilmektedir, oysa diğer teknikler sadece düşük sıcaklıklarda kullanışlıdır.

Bununla birlikte flaş tekniği kaplama ve ana malzemenin kalınlığına kritik bir şekilde bağlıyken, diğer teknikler için bu söz konusu değildir. Deney metotlarının bu avantaj ve dezavantajlarını kullanarak oluşturulacak olan cazip bir yaklaşım, oda sıcaklığına yakın değerlerde diğer yöntemlerin her birini kullanarak ölçüm yapmak, daha sonra yüksek sıcaklık ölçümleri için lazer flaş tekniğinin kullanımıdır (Taylor, et al., 1999).

Isıl engelleme kaplamalarının yüksek sıcaklık ve uzun çalışma ömürleri nedeniyle termofiziksel özelliklerinin, özellikle de ısı iletim katsayılarının bilinmesi gerekmektedir. Kaplamanın ısı iletim katsayısının ölçümündeki doğruluk, bu kaplamanın ısı iletim katsayısını azaltma yönünde ve kullanım yeri tasarımı için yapılan çalışmalarda önemli rol oynamaktadır. R.E.Taylor ve arkadaşları (1999) ısı iletim katsayısını belirlemek için kullanılan lazer flaş, fotoakustik ve 3ω ölçüm tekniklerini kullanarak elde edilen sonuçları kıyaslamışlardır. Ayrıca Atmosferik Plazma Sprey yöntemiyle atılmış ısıl engelleme kaplaması için ısıl işlem uygulanmış numunelerin ısıl yayılım değerlerini lazer flaş tekniği kullanarak elde ederek deney hassasiyet analizi yapmışlardır.

Isıl engelleme kaplamalarının tasarımında kaplamanın ısı iletim katsayısı kadar kaplamayı oluşturan bileşenlerin ısı iletim katsayısı ve bu bileşenler arasındaki temas direnci hakkında da bilgiye sahip olunmalıdır. Yitriya ve kalsiya takviyeli zirkonya kaplamanın sprey parametrelerinin özellikle de spreyleme mesafesinin ısıl yayılım katsayısına etkisi Pawlowski ve arkadaşları tarafından (1984, 1985) incelenmiş ve 0.002 – 0.005 cm²/s arasında değiştiğini görmüşlerdir. Gitzhofer ve arkadaşları (1985) ısıl engelleme kaplamalarının ısı iletim katsayısının belirlenmesinde önemli bir parametre olan ısıl temas direncini incelemişlerdir. Brandt ve arkadaşları (1986) plazma sprey zirkonya (%7, %8, %20 yitriya takviyeli), NiAl, NiCr, NiCrAl, NiCrAlY ve NiCoCrAlY kaplamalarında, lazer flaş yöntemi ile ölçülen ısıl yayılım katsayısından ısıl iletim katsayısını hesaplayabilmek amacıyla gerekli özgül ısı değerlerini 26°C ile 726°C arasında ölçmüşlerdir. Schlichting ve arkadaşları (2001) 8YSZ kaplamada tamamen dolu (gözeneksiz) ve 3YSZ kaplamalarda hem gözenekli hem de tamamen dolu yapı için ısı iletim katsayısı değerlerini oda sıcaklığı ile 1000 °C arasında ölçmüşlerdir. 8YSZ kaplama için elde edilen değerlerde ısı iletim katsayısının sıcaklık ile çok az miktarda arttığını gözlemişlerdir.

Slifka ve arkadaşları (1997) Atmosferik Plazma Sprey yöntemiyle 3 farklı kalınlıkta yapılmış ısıl engelleme kaplamasının (8YSZ), ısı iletim katsayısını muhafazalı kızgın levha metoduyla ölçmüşlerdir. Ölçüm sonuçlarında ısıl iletkenliğin sıcaklık ve kaplama kalınlığı ile az miktarda değiştiğini görmüşlerdir.

Rätzer-Scheibe ve arkadaşları (2006) EB-PVD ısıl engelleme kaplamalarında kaplama kalınlığının ısı iletim katsayına etkisini tespit etmek amacıyla lazer flaş tekniğini kullanarak ölçüm yapmışlardır. Ölçüm sonuçları dört farklı kalınlıktaki metal üzerinden kaldırılmış serbest durum numunelerinden elde edilmiştir. Kaplama kalınlığı arttıkça kolonsal tanecikler birbirine yaklaştığı ve arada bulunan boşluk miktarının azalması nedeniyle ısıl iletkenliğin kaplama kalınlığı artıkça azaldığı gözlenmiştir.

Ravichandran ve arkadaşları (1997) plazma sprey ve EB-PVD yöntemiyle yapılmış çok katmanlı 8YSZ ve Al2O3 kaplamaların ısıl iletkenliklerini ölçmüşlerdir. Plazma-sprey yöntemi ile elde edilen çok katmanlı yapılarda, tek katmanlı kaplamalara göre

An ve Han (2006) plazma sprey yöntemi kullanılarak yapılmış 8YSZ kaplamanın ısı iletim katsayısını elde etmişlerdir. Çalışmada silindiriksel bir numunenin dış yüzeyini yüksek sıcaklığa maruz bırakmışlar, içteki metal ana malzemeyi ise zorlanmış taşınımla soğutmuşlardır. Silindir içinden geçen soğutucu akışkan olarak hava kullanılmış ve ısıl direnç kavramından yararlanılarak kaplamanın ısı iletim katsayısı hesaplanmıştır. Standart ölçüm metotları ile elde edilen literatürdeki değerlere göre oldukça düşük (0.1 – 0.2 W/mK) değerler elde etmişlerdir.

Isıl engelleme kaplamalarını geliştirmek gelecekte gaz türbinlerinin yüksek gaz sıcaklıklarında çalışmasına imkan verecektir. Bu nedenle önemli olan çalışmalar incelenerek mevcut standart endüstride kullanılan yitria takviyeli zirkonyadan daha iyi ve yeni malzemeler araştırılmaktadır. Clarke ve arkadaşları (2005) günümüzde kullanılan ısıl engelleme kaplaması malzemelerini ve farklı malzeme ilavelerinin ısı iletim katsayısına etkilerini incelemişlerdir. Khor ve Gu (2000) katmanlı kaplamalarda her katmanda kaplama malzemesindeki yitriya oranlarını değiştirmişlerdir. Elde edilen katmanlı yapının ısıl özellikleri olan ısıl genleşme, ısıl kapasite, ısıl yayılım katsayısı ve ısı iletim katsayısını deneysel olarak ölçmüşlerdir. Katmanlardaki zirkonya oranının değişimi aynı zamanda gözeneklilik oranının da değişimine sebep olmuştur. Zirkonya miktarı arttıkça gözeneklilik oranı artmakta buna bağlı olarak ta ısı iletim katsayısının azaldığını göstermişlerdir.

Slifka ve Filla (2003) EB-PVD yöntemi ile elde edilmiş farklı kalınlıktaki 7YSZ ısıl engelleme kaplamasının ısı iletim katsayısını bir sürekli rejim tekniği olan muhafazalı levha yöntemini kullanarak ölçmüşlerdir. Nominal kaplama kalınlıkları 170 µm, 350 µm ve 510 µm olarak 3 mm kalınlığındaki ana malzemeler üzerine

uygulanmıştır. Ölçüm yapılan sıcaklık aralığı 100°C ile 900°C arasında olup, ısıl iletkenlik değerlerinin 1.5 W/mK ile 1.7 W/mK aralığında olduğu belirlenmiştir.

Taylor (1998) Atmosferik Plazma Sprey ısıl engelleme kaplamaları için ısıl işlemin, ana metal üzerinden kaldırılmış serbest durumdaki kaplama, süper alaşım üzerine yapılmış kaplama ve tabakalı kaplamaların ısıl yayılım katsayısını lazer flash metodunu kullanarak ölçmüştür. Deneysel çalışmalar esnasında deney sonuçlarını etkileyen parametreleri incelemiş ve hata analizi yapmıştır. Bu ölçüm yönteminde en büyük hatanın kaplama kalınlığını ve metal malzeme kalınlığının yanlış ölçülmesinden kaynaklandığını belirlemiştir.

Deneysel çalışmalarda, kaplanmış numunelerin her iki yüzeyi arasındaki düşük sıcaklık farkını doğru olarak ölçebilecek bir metodun olmaması nedeniyle ince seramik kaplamaların ısı iletim katsayısının ölçümü seramik teknolojisi ve ısıl analiz için karmaşık bir problemdir. Bu problem, lazer flaş yöntemi ile 1-2 mm kalınlığındaki kaplamalar için çözülmüştür. Fakat bu metotla ısı iletim katsayısı ve ısıl direnç doğrudan hesaplanamamaktadır. Böylece sabit sıcaklıkta tutulan farklı malzemelerden oluşan numunelerin kademeli olarak ısıtılması işlemi süresince sıcaklık artışını esas alarak ısıl direnç ve görünür ısıl iletkenliği doğrudan ölçen bir metot geliştirilmiştir. Bu teknik karşılaştırmalı üssel metot (CEM) olarak adlandırılmaktadır (Seifert, et al., 2006).

Filla (1997) seramik kompozitler, ısıl engelleme kaplamaları, fonksiyonel derecelendirilmiş malzemeler ve yüksek sıcaklık metal alaşımlarının ısıl iletkenliğini ölçmek için yüksek-sıcaklık muhafazalı levha aparatı geliştirmiş ve tüm bu malzemeler için ısı iletim katsayılarını ölçmüştür. 8YSZ plazma sprey kaplamanın ısıl iletkenlik değerini 1 W/mK’ den düşük değerlerde elde etmiştir.

Zhu ve arkadaşları (2001), % 8 yitriya takviyeli zirkonya esaslı Atmosferik Plazma Sprey yöntemiyle uygulanmış ısıl engelleme kaplamalarının hem sıcak

iletim katsayısının 1.4 W/m.K değerine yükseldiğini gözlemlemişlerdir.

Çizelge 3.1’de literatürde Atmosferik Plazma Sprey yöntemi ile uygulanmış 8 YSZ kaplamalar için farklı gözeneklilik oranları ve farklı ölçüm metotlarından elde edilmiş ısı iletim katsayısı değerleri gösterilmiştir.

Çizelge 3.1. Atmosferik Plazma Sprey (8YSZ) kaplama için literatürden elde edilen ısı iletim katsayısı değerleri.

Gözeneklilik Oranı

Ölçüm Yöntemi Isı Đletim Katsayısı (W/m.K) An and Han

(2006) %12

Tasarladıkları silindiriksel boru

kullanılmıştır. 0.25

Filla (1997) - Muhafazalı Kızgın

Levha 1.31

Brandt et al.

(1986) %10 Lazer-Flaş 1.15

Brandt et al.

(1986) %14 Lazer-Flaş 1.0

Zhu et al.

(2001)

%10 Lazer-Flaş 1.0

Slifka et al.

(1997) %16.5 Muhafazalı Kızgın

Levha 0.62

Lazer flaş yöntemi ile ölçülen ısı iletim katsayısı değerlerinin birbirine yakın olduğu görülmektedir. Farklı ölçüm yöntemlerine ait ısı iletim katsayısı değerleri arasındaki farklılıkların oluşturulan deney sistemlerindeki hatalardan kaynaklanabileceği düşünülmektedir.

3.2 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 doğrultusundaki ısı akısı q′ olmak üzere; _n

n q_n T

∂

−∂

′ ∝ (3.12)

bir oran şeklinde yazılabilir. Pozitif n yönü pozitif ısı akısı yönü olarak seçilirse q′ _n akısı, sıcaklığın azaldığı yönde olacağından sıcaklık gradyeni ile ısı akısı ters işaretli olur. Buradaki orantı katsayısı maddenin bir özelliğidir ve ısı iletim katsayısı adını alır.

buna göre Fourier kanunu;

n k T A q_n qⁿ

∂

− ∂

=

′ = (3.13)

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 m

v P =v

−

1 ^(3.15)

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 g m m

ef v k v k

k = + (3.16)

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

Isı geçişinin gözeneklere dik olduğu durum için ısı iletim katsayısı,

g g m m

g m

ef v k v k

k k k

= + (3.17)

olarak ifade edilir.

Collishaw ve Evans (1994), gözenekli bir katının efektif ısı iletim katsayısını hesaplamak için bazı ifadeleri yeniden incelemiştir. Her bir durumda ele alınan ifade 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.













−

− +

− +

= +

) (

2

) (

2 2

m g g m g

m g g m g m

ef k k v k k

k k v k k k

k

(3.18)

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,

( )

( )











−

− +

− +

= +

m g g m g

m g g m g m

ef k k v k k

k k v k k k

k

(3.19)

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.

) 3 / ( ) /(

1 _{g m m m}

g m

ef k k v k

k v

k = + − + (3.20)

) 3 / ( ) /(

1 _{m g g m}

m g

ef k k v k

k v

k = + − + (3.21)

(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.

[ ]

( )

[

]

4 1

m g m

m g

g m

m g

g

ef k v k v k v k v k k

k = − + − + − + − +

(3.22)

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