Doc. Dr Pal Terek Doc. Dr Aleksandar Miletić · Moderni avioni • Duži radni vek prevučenih komponenti (lopatice turbine, unutrašnjost komore za sagorevanje). • Povećana efikasnost

TERMALNE BARIJERE

Doc. Dr Pal TerekDoc. Dr Aleksandar Miletić

UNIVERZITET U NOVOM SADU

FAKULTET TEHNIČKIH NAUKA

2019.

Moderni avioni

Moderni avioni

• Duži radni vek prevučenih komponenti (lopatice turbine, unutrašnjost komore za sagorevanje).

• Povećana efikasnost motora, ušteda u gorivu, smanjena emisija štetnih materija.

ZNAČAJ PRIMENE KOD AVIONA

Sportski automobili

Sportski automobili

• Više radne temperature – povećava se efikasnost rada motora, smanjenje emisije CO i NOx.

• Povećanje snage motora za 8%, ušteda u gorivu od 15 do 20%.

ZNAČAJ PRIMENE KOD AUTOMOBILA

Elektrane na gas

Elektrane na gas

• Predstavljaju poseban sistem prevlaka čija je uloga da zaštite radne komponente od:

– dejstva visokih temperatura,

– lokalnog topljenja,

– oksidacije,

– korozije

– puzanja materijala

Šta su termalne barijere?

• Sastoje se najčešće iz tri sloja:– Gornji sloj –

termalna barijera –služi da smanji temperaturu na radnim komponentama.

– Donji sloj – vezivni sloj - trebalo bi da obezbedi otpornost na oksidaciju i koroziju.

– Srednji sloj – raste na vezivnom sloju. U pitanju su oksidi koji štite vezivni sloj od dalje oksidacije.


STRUKTURA TERMALNIH BARIJERA

Lopatica turbine

Vezivni sloj (20 – 30

μm)

PodlogaSuperlegura

nikla

Oksidni sloj

(TGO) Izolacioni slojTermalna barijera

Ulaz vazduha za hlađenje

• Sastoje se najčešće iz tri sloja:– Gornji sloj –

termalna barijera –služi da smanji temperaturu na radnim komponentama.

– Donji sloj – vezivni sloj - trebalo bi da obezbedi otpornost na oksidaciju i koroziju.

– Srednji sloj – raste na vezivnom sloju. U pitanju su oksidi koji štite vezivni sloj od dalje oksidacije.


STRUKTURA TERMALNIH BARIJERA

1

3

2

1 – Gornji sloj – YSZ termalna barijera2 – Srednji sloj – TGO oksidni sloj3 – Donji sloj – vezivni sloj od legure platine4 – Podloga – suuperlegura nikla

4

Gornji sloj

• Najčešće se pravi od cirkonijum oksida stabilizovanog sa itrijumom (ZrO2 stabilizovan sa 6–8 % Y2O3, YSZ).

• Debljine je od 100 do 200 µm.

• Najčešće se nanosi atmosferskim plazma raspršivanjem (APS) ili fizičkom depozicijom iz prane faze (EB-PVD).

Treba da obezbedi dobru zaštitu od toplote, ali pri tome da nema velike razlike u toplotnom širenju u odnosu na osnovni materijal.

YSZ ima veoma nizak koeficijent provođenja toplote i toplotno širenje slično legurama nikla.

Koeficijent toplotne provodljivosti (W/m°C)

Ko

efic

ijen

t to

plo

tno

g ši

ren

ja (

10

-6/°

C)

Legure nikla

sialonmuliti

Vezivni sloj

• Glavna uloga ovog sloja je da obezbedi dovoljne količine aluminijuma i hroma koji stvaraju zaštitne okside poput Al2O3 i aluminijum-hrom oksida.

• Ovaj sloj mora biti bez napona, da ostvaruje dobru adheziju sa osnovnim materijalom i gornjim slojem tokom celog radnog veka.

• Najčešće se pravi od legura tipa MCrAlY (gde M predstavlja Ni ili Co).

• Debljine je od 20 do oko 90 µm.

• Nanose se PVD tehnikom ili tehnikom plazma raspršivanja na niskom pritisku (LPPS).

• Nakon nanošenja ovog sloja vrši se žarenje u vakumu, na temperaturi od 1050 °C u trajanju od nekoliko časova. Dolazi do difuzije elemenata osnovnog materijala i materijala vezivnog sloja, čime se povećava adhezija.

Srednji sloj

• Najčešće je u pitanju Al2O3 koji pruža najbolju zaštitu od oskidacije i korozije.

• Debljine je do oko 1 do 2 µm.

• Dobija se nakon zagrevanja na vazduhu, pa nosi oznaku TGO od engleskog Thermaly Grown Oxide.

1

3

2

4

Nanošenje termalnih barijera

PVD – FIZIČKA DEPOZICIJA IZ PARNE FAZE

• Služi za nanošenje gornjeg sloja – termalne barijere. Za isparavanje mete koristi se fokusirani elektronski snop.

• Sastav materijala mete odgovara sastavu materijala termlane barijere.

• Brzina nanošenja je velika – 1 do 2 μm/min.

Izvor elektrona

Oblak isparenog materijala

Uzorci

Snop elektrona

Phoenix Scientific Industries Ltdhttp://www.psiltd.co.uk/Products/DepositionSystems/tabid/237/language/en-GB/Default.aspx

http://web.ald-vt.de/cms/vakuum-technologie/anlagen/ebpvd/



• Pre nanošenja termlane barijere uzorci se zagrevaju do oko 1000 °C u atmosferi kiseonika pod niskim pritiskom kako bi se dobio tanak TGO sloj.

• Uzorci na koje se nanose termalne barijere vrše složeno kretanje kao bi se prevlaka ravnomerno nanela.

• Sistem za nanošenje TBC pored komore za nanošenje sadrži komore za predgrevanje i komore za punjenje. Jedna komora za nanošenje može biti povezana sa više komora za zagrevnje i punjenje.

EB-PVD sistem sa dve komore za zagrevanje i dve komore za punjenje

http://web.ald-vt.de/cms/vakuum-technologie/anlagen/ebpvd/



Složeno kretanje radi ravnomernog nanošenja

Komora za punjenje EB – PVD sistema


APS – ATMOSFERSKO PLAZMA RASPRŠIVANJE

• Služi za nanošenje i donjeg i gornjeg sloja – termlane barijere. Prevlaka se nanosi pomoću posebnih plazma pištolja.

• Osnovni elementi pištolja su anoda, volframova katoda, ulaz za radni gas (argon) i ulaz za dovođenje materijala.

Plazma gas + struja

Katoda

Vodom hlađena anoda

Uzorak

Prevlaka

Izolator Ulaz za dovod praha

a) b)



• Između anode i katode se uspostavlja visokofrekventno lučno pražnjenje.

• Uvodi se gas u pištolj koji se jonizuje pod dejstvom lučnog pražnjenja. Formira se mlaz plazme u dužini od nekoliko centimetara.

• Temperatura u plazmi (mlazu) dostiže vrednosti do oko 16000 °C.

Plazma gas + struja

Katoda

Vodom hlađena anoda

Uzorak

Prevlaka

Izolator Ulaz za dovod praha

1



• Materijal prevlake uvodi se u vidu finog praha u mlaz plazme iza mlaznice pištolja.

• Prah se u mlaz uvodi u struji gasa.

• Usled visokih temperatura, prah se topi gotovo trenutno.

• Pod dejstvom mlaza kapljice istopljenog materijala ubrzavaju se ka uzorku i dostižu brzine od 200 do 800 m/s.

• Kada dođu do uzorka kapljice se deformišu i oblikuju lamele u obliku diska.

• Širenje kapljica nakon udara ograničeno je velikim temperaturnim razlikama između kapljice i uzorka, tj. brzim očvršćavanjem koje je posledica tih razlika.

• Čestice praha najčešće nisu iste veličine. Stoga se pojedine istope u potpunosti, moguće je da se veće čestice istope samo delimično, a oko manjih je moguće stvaranje sloja isparenog materijala.

Sistem za dovod praha

Ulaz za dovod praha

Mlaz plazme

Uzorak

Prevlaka

Čestica u letu(ubrzavanje i zagrevanje)

Deformacija čestice(interakcija sa uzorkom)

Hlađenje prevlake(nastanak pukotina)

UzorakPrevlaka

Pukotine

Plazma pištolj



• Najvažniji parametri procesa plazma raspršivanja su veličina čestica, brzina i temperatura čestica u mlazu, udaljenost mlaznice od uzorka, temperatura i hrapavost podloge (uzorka).

• Struja (snaga)

• Vrsta gasa

• Protok gasa

• Parametri robotske ruke

• Dimenzije brizgaljke praha

• Ugao ubrizgavanja

• Broj brizgaljki

• Udaljenost brizgaljke od mlaznice

• Brzina strujanja gasa u kome se nalazi prah

• Parametri uvođenja praha

• Zagrevanje/hlađenje spoljašnje površine prevlake

• Topografija (hrapavost) površine

• Hemijski sastav površine

• Dimenzije mlazice• Hemijski sastav praha i oblik čestica

praha

• Veličina čestica praha

• Rastojanje• Materijal podloge

• Način fiksiranja podloge

• Spoljašnje zagrevanje/hlađenje podloge

Plazma pištolj

Pod

loga

Mikrostruktura termalnih barijera


• Termalne barijere nanešene EV-PVD postupkom imaju stubastu mikrostrukturu. Između stubića su praznine (pore) koje su upravne na površinu podloge. Finije pore se javljaju unutar zrna.

• Dugačke, upravne pore, koje se prostiru po celoj debljini prevlake nisu veoma efikasne u sprečavanju prostiranja toplote po debljini prevlake. Finije pore koje se nalaze unutar zrna gotovo su upravne na pravac prostiranja toplote, pa pozitivno utiču na smanjenje koeficijenta provođenja toplote.

• Vertikalne pore obezbeđuju bolju fleksibilnost prevlake u pravcu paralelnom površini podloge, a time duži radni vek prevlake. Stoga se PVD prevlake koriste za turbine avio motora.

Visoka poprečna fleksibilnost

Vezivni sloj

Fine pore unutar zrna

Pravac prostiranja toplote



Technical and Economical Aspects of Current Thermal Barrier Coating Systems for Gas Turbine Engines by Thermal Spray and EBPVD: A ReviewAlbert Feuerstein, James Knapp, Thomas Taylor, Adil Ashary, Ann Bolcavage, and Neil Hitchman

SEM slika – tipična stubasta struktura SEM slika većeg uvećanja



Slaba poprečna fleksibilnost

Vezivni sloj


• Mikrostruktura termalnih barijera nanešenih APS postupkom sačinjena je od elemenata u obliku diska koji su zalepljeni jedan za drugi.

• Struktura je izrazito porozna sa porama koje su paralelne podlozi. Prava površina kontakta između pojedinih diskova je svega 20%. Brzo očvršćavanje, stvaranje i relaksacija zaostalih napona, kao i slaba adhezija su glavni razlozi nastanka pora između diskova.

• APS termalne barijere imaju vrlo nizak koeficijent provođenja toplote, jer pore paralelne podlozi otežavaju prostiranje toplote po debljini prevlake.

• Pored pora, APS prevlake sadrže i dosta nedostataka poput pukotina. U toku rada javljaju se značajni naponi, kao posledica cikličnog zagrevanja i hlađenja. Ovi naponi dovode do stvaranja novih, prostiranja postojećih pukotina i na kraju do pucanja prevlake. APSprevlake manje su trajne od PVD prevlaka. Stoga se više koriste za gasne turbine za pravljenje električne energije.



SEM slika APS prevlake SEM slika većeg uvećanja


Pukotina

Okrugla pora

DelaminacijaFina poroznost

Poređenje APS i PVD

APS PVD

• Jeftina i jednostavna metoda.

• Struktura čine horizontalno nalepljeni diskovi.

• Velika hrapavost.

• Mehanička veza TBC sloja i vezivnog sloja. Zahteva se hrapava površina vezivnog sloja.

• Mala toplotna provodljivost.

• Kraći radni vek.

• Skupa i složena metoda.

• Stubasta struktura.

• Manja hrapavost, bolja aerodinamičnost.

• Hemijska veza. Zahteva se glatka površina vezivnog sloja.

• Veća toplotna provodljivost.

• Dug radni vek.


Visoka poprečna fleksibilnostMala poprečna fleksibilnost

Vezivni sloj Vezivni sloj

Poređenje APS i PVD


APS PVD

Uticaj strukture na provodljivost

• Dijagram dobijen eksperimentalnim putem.

• Pokazuje da se toplotna provodljivost smanjuje sa povećanjem udela pora kod APS termalnih barijera.

APS YSZ termalna barijera

Zapreminski udeo pora (%)

Ko

efic

ijen

t to

plo

tne

pro

vod

ljiv

ost

i (W

/m°C

)

Zapreminski udeo pora (%)

Ko

efic

ijen

t to

plo

tne

pro

vod

ljiv

ost

i (W

/m°C

)• Dijagram dobijen proračunskim putem.

• Pokazuje da se koeficijent provođenja smanjuje sa povećanim udelom pora.

• Efekat smanjenja najizraženiji je za pore paralelne podlozi, kao kod APS termlanih barijera.

• Efekat smanjenja gotovo izostaje za pore upravne na podlogu, kao kod EB-PVD barijera.

Pore upravne na podlogu

Pore paralelne podlozi

HVALA NA PAŽNJI!

ŠKOLSKA 2019/2020

INŽENJERSTVO POVRŠINA

Doc. Dr Pal TerekDoc. Dr Aleksandar Miletić

Univerzitet Novi Sad, Fakultet tehničkih nauka, Novi Sad, Srbija

Documents

Doc. Dr Pal Terek Doc. Dr Aleksandar Miletić · Moderni avioni • Duži radni vek prevučenih komponenti (lopatice turbine, unutrašnjost komore za sagorevanje). • Povećana efikasnost