Powłokowe bariery cieplne (TBC - Thermal Barrier Coatings) to system wielowarstwowy zbudowany z zewnętrznej warstwy ceramicznej, której rolą jest izolacja cieplna materiału podłoża w warunkach długotrwałej eksploatacji. Drugi element tego sytemu to żaroodporna warstwa podkładowa, zwana również międzywarstwą. Rolą tego obszaru jest zapewnienie odpowiednio dużej odporności na utlenianie i korozję. Pomiędzy obiema warstwami tworzy się strefa tlenków zwana tlenkami narastającymi w warunkach odziaływania temperatury (TGO - Thermally Grown Oxides) [1, 2]. Strefa ta powstaje w wyniku dyfuzji tlenu z atmosfery roboczej przez pory i pęknięcia warstwy ceramicznej do powierzchni warstwy żaroodpornej, gdzie następuje selektywne utlenianie aluminium i tworzenie się tlenku Al2O3. Jest to najbardziej pożądany przebieg tego zjawiska, jednakże wraz z wydłużeniem czasu ekspozycji wysokotemperaturowej tworzą się tlenki złożone o sieci typu spineli. Zazwyczaj jest to tlenek NiAl2O4, w skrajnym przypadku może to być tlenek niklu NiO. Równocześnie rośnie grubość strefy TGO, co sprzyja tworzeniu się mikropęknięć wewnątrz warstwy ceramicznej bezpośrednio nad warstwą tych tlenków. Pęknięcia mogą się również tworzyć w samej strefie tlenków TGO. Zwłaszcza w obszarach tlenków złożonych i NiO, które charakteryzują się mniej zwartą budową oraz obecnością porów i mikropęknięć. Sprzyja to zarodkowaniu mikropęknięć w tych obszarach i ich propagacji w kierunku warstwy ceramicznej [3, 4]. Sytuacja jeszcze bardziej się komplikuje, gdy rozpatrzy się lokalizację strefy TGO na powierzchni warstwy żaroodpornej. W przypadku obszarów znajdujących się na tzw. dnie profilu chropowatości, przeprowadzone symulacje i badania wskazują na występowanie naprężeń ściskających [5÷9]. Jest to sytuacja korzystna i sprzyja tworzeniu się zwartej warstwy tlenków zbudowanej głównie z Al2O3. Natomiast inną morfologię ma strefa TGO w obszarze wierzchołków profilu chropowatości międzywar[...]

  W artykule przedstawiono wyniki badań dotyczące oceny degradacji w warunkach utleniania warstw ceramicznych powłokowych barier cieplnych natryskiwanych plazmowo przy użyciu proszków typu Gd2Zr2O7 oraz 8YSZ w proporcjach 50/50, 25/75 oraz 75/25. Dokonano oceny makro i mikrostruktury warstw ceramicznej po okresie 500 godzin ekspozycji w temperaturze 1100°C w atmosferze powietrza. Stwierdzono, że warstwy ceramiczne charakteryzują się zadowalającą przyczepnością w warunkach testu. Zniszczeniu uległy jedynie obszary na krawędziach cięcia próbek. Szczegółowa analiza powierzchni warstwy ceramicznej wykazała, że tworzą się na niej liczne pustki będące efektem roztrawiania cieplnego materiału ceramicznego. Zjawisko to może wpływać na zwiększenie ilości porów otwartych, a to z kolei przyspieszać może proces niszczenia warstwy TBC. Słowa kluczowe: powłokowe bariery cieplne, cyrkonian gadolinu, 8YSZ, degradacja Top surface degradation process of Gd2Zr2O7 + 8YSZ type ceramic layers of TBC systems during static oxidation test at temperature 1100°C Results of investigations related to degradation process assessement of ceramic topcoat of thermal barier coatings in atmosphere of air was showed in this article. Those TBC systems was deposited by thermal sprying process of mixed feedstock powders of Gd2Zr2O7 and 8YSZ types in ratio as follow: of 50/50, 25/75 and 75/25. The evaluation of macro and microstructure of ceramic top coat after exposition at 1100°C during 500 hours was made. It was detected that ceramic coatings of all types are characterized by good adhesion to the bond-coat expect areas of edges of specimens. Detailed analysis of top surface of ceramic layer revealed that many voids is created during test. That the result of so called thermal etching of ceramic. This phenomena can infl uence on increasing of open porosity, which can accelerated destruction process of whole TBC system. Keywords: thermal barrier coatings, gadolinium zirconate, 8YS[...]

  1. Introduction TBC coatings found wide application as protective coatings for elements of a hot section of gas turbines such as combustion chambers, which, on the one hand, enables an increase in durability of such elements in conditions of complex stresses and high temperature [4,11]. On a standard basis, commercially used layers are deposited on a monolayer system based on the ZrO2 phase, which was modified with yttrium oxide, Y2O3, which ensures high strength properties for the whole TBC system. However, these layers have limited durability, as a result of sintering, and exhibit phase changes in the ceramic layers, due to the long- -lasting impact of a high temperature [2,8]. The newest solutions in this area are related to deposition of new ceramic materials, such as zirconates of rare earth elements as insulating materials in TBC systems. Those ceramic materials are characterized by e.g. better thermal properties (i.e. mainly lower thermal conductivity coefficient), higher resistance against outer corrosion or erosion environments, with simultaneously worse e.g. thermal-chemical compatibility with oxides that comprise the TGO zone or a value of linear extension so low, that direct application of a homogeneous layer would make it fall offof the surface of an interlayer [1,6- 7,9-10,13]. In order to meet the demand of highly stringent operating environments, it is essential to develop new materials for TBC. Recently, the compound with pyrochlore phase, i.e. lanthanum zirconate, exhibited some very interesting properties, making it a promising candidate for TBC materials. The earlier works indicated that this material has excellent thermal stability (up to its melting point 2573 K), low thermal conductivi- Artykuł naukowy DOI: 10.1[...]

  1. Introduction Thermal barrier coating (TBC) systems are one the most modern materials and technological solutions in area of materials and surface engineering. They are usually used to protection of hot-section components of stationary and aircrafts gas turbine engines such as combustion chamber and vanes. This system typically consists the Ni-based superalloy substrate, a bond coat based also on the superalloys with high oxidation/corrosion resistance and an insulating ceramic topcoat built usually from zirconia - based ceramic. A thin thermally grown oxide (TGO) layer is formed also between bond coat and ceramic layer, and this area is the most important from destruction processes point of view [3,7,4]. The mostly used ceramic materials dedicated to insulation layer is yttria-stabilized zirconia with addition of 6-8% wt. of yttria (8YSZ) with metastable tetragonal type of lattice. The thermal conductivity of 8YSZ ceramic( 2.2 W/mK) is a referential values for other new ceramic dedicated for low-k TBC systems [4]. The widely investigated materials for replacement of the 8YSZ are the rare-earth pyrochlore zirconates with overall formula RE2Zr2O7 (where RE is a rare-earth lanthanide) and pyrochlore type of lattice. Generally the thermal conductivity of these materials is as low as 1.5 W/mK, and can be still reduced. Undesirable features of those materials is a very low fracture toughness which strongly limited durability of whole system especially in the terms of thermal cyclic life [1,2,6,8,9,12,16,17]. The most important parameters related with development of TBC systems are related with decreasing of thermal conductivity and increasing of fracture thoroughness. The fracture toughness can be improved by modifying the chemistry of materials and modifying the morphology and microstructure or ‘design architecture’ (e.g., composite or multilayer). Previous research on composites and multilayers thermal barrier syst[...]

Powłokowe bariery cieplne (TBC - thermal barier coatings) są stosowane w celu ochrony powierzchni metalicznych w gorącej sekcji turbin gazowych. Ma to zapewnić zwiększenie trwałości i bezpieczną eksploatację w warunkach długotrwałej pracy silnika w wysokiej temperaturze. Zazwyczaj powłoki tego typu stanowi system dwóch warstw. Zewnętrznej, natryskiwanej plazmowo w powietrzu, ceramicznej warstwy izolującej na bazie częściowo stabilizowanego tlenkiem itru tlenku cyrkonu oraz warstwy wewnętrznej, podkładowej natryskiwanej plazmowo w próżni z proszków typu Ni(Co)CrAlY. Zewnętrzna, porowata warstwa ceramiczna spełnia rolę izolacji cieplnej, natomiast wewnętrzna warstwa podkładowa zapewnia z jednej strony odporność na utlenianie i korozję wysokotemperaturową, z drugiej kompensuje różnice w wartościach współczynnika liniowej rozszerzalności cieplnej warstwy ceramicznej i stopu podłoża [1, 2]. Podstawową cechą morfologiczną warstwy ceramicznej jest obecność porów i pęknięć wertykalnych oraz horyzontalnych. Rolą celowo kreowanej siatki pęknięć i porów jest zwiększenie zdolności izolacyjnych warstwy ceramicznej, ale także zmniejszenie naprężeń wewnętrznych. Z drugiej strony obecność pęknięć i porów obniża podstawowe właściwości mechaniczne, a także negatywnie wpływa na odporność na utlenianie i korozję wysokotemperaturową całego systemu TBC [1÷4]. Obecność pęknięć i porów ułatwia penetrację warstwy ceramicznej przez powietrze i agresywne gazy robocze oraz ciekłe osady solne, co ułatwia proces degradacji warstw TBC. Infiltracja powietrza wewnątrz powłoki powoduje przyspieszoną degradację warstwy podkładowej i przyrost grubości tlenków TGO (thermally grown oxides). W konsekwencji następuje przyspieszone pękanie i odpadanie warstwy ceramicznej [5]. Proces infiltracji może zostać spowolniony przez przetopienie powierzchni warstwy ceramicznej za pomocą wiązki laserowej. Operacja ta pozwala na zmniejszenie chropowatości warstwy wierzchniej,[...]

W artykule przedstawiono wyniki badań dotyczące charakterystyki odporności na utleniania natryskanej plazmowo powłoki NiCrAlY o różnym sposobie przygotowania powierzchni natryskanej plazmowo na stopie Inconel 625. Analizie poddano powłoki w stanie po natryskiwaniu cieplnym oraz po procesie szlifowania. Ocenie poddano odporność na utlenianie obu typu warstw w warunkach testu w temperaturze 1000°C przez czas 1000 godzin. Zakres badań obejmował analizę stanu warstwy wierzchniej powłok przy użyciu badań dyfrakcyjnych składu fazowego oraz badań mikroskopowych pozwalających na ocenę budowy warstwy. Słowa kluczowe: warstwy NiCrAlY, odporność na utlenianie Infl uence of top-surface condition on oxidation resistance of NiCrAlY coating on Inconel 625 alloy The article presents the results of the examination related to characterization of oxidation resistance of NiCrAlY coatings with different types of top-surface conditions, deposited on substrate alloy of Inconel 625 type. Coated specimens with conditions as sprayed and after grinding process were analyzed. Evaluation of oxidation resistance of both types of coatings was made during test of oxidation at temperature 1000°C by 1000 hours of exposure. The range of investigations included analysis of top surface of coatings by XRD characterization of formed oxides types and microscopic investigations of coatings morphology. Keywords: NiCrAlY coating, oxidation resistance 1. Wprowadzenie Trwałość powłokowych barier cieplnych (TBC - thermal barrier coatings) jest związana z wieloma czynnikami, ale większość prac badawczych w tym obszarze wskazuje jednoznacznie, że obserwowane procesy niszczenia powłok TBC są związane głównie ze zjawiskami w strefi e tlenków narastających na powierzchni warstwy podkładowej (TGO - thermally grown oxide) [1]. Nie ma zasadniczych wątpliwości, że główną odpowiedzialność za niszczenie powłok typu ponosi strefa TGA, trwają natomiast dyskusje, co do samego mechanizmu obser[...]

Nowadays, the development of heat-resistant materials is crucial for aircraft industry due to the fact that turbine engines performance increasingly depends on high temperature stability of components, therein turbine blades and combustion sectors. From the other site oxidation and hot corrosion, concomitant to high temperature are the main mechanisms leading to faster degradation of materials used it this type of engineering systems [4]. Lifetime of high-temperature elements can be decreased owing to usage of low quality fuels, containing sulphur, sodium and halides impurities. This type of atmosphere promotes formation of liquid flux, which dissolves oxide layers protecting metal and causes increase of oxidation rate. Diffusion of sulphur into alloy results in sulphides formation and the corrosion damage development [2, 5, 9]. The solution providing hot corrosion protection for nickel-based superalloys is utilization of special barrier bond coatings, however this method is expensive and technologically demanding. Protective band coatings enhance hot corrosion resistance, whereas are still not suitable for long exposure at high temperature, therefore development of a new materials with comparable high temperature strength and greater oxidation and hot corrosion resistance is necessary [8]. Nickel-based superalloys are commonly used materials for high temperature applications, whereas cobalt-based alloys are utilized as well. Conventional cobalt-based superalloys exhibit remarkable corrosion resistance, mechanical properties at high-temperature and thermal fatigue resistance [11]. This type of alloys is based on solid solution of refractory elements (W, Mo, Nb, Ta) in fcc cobalt matrix, further strengthened by various carbides, therein M23C6, M7C3 and MC carbides [14]. Further investigations aimed in search of cobalt-based alloys with comparable mechanical properties to γ’ strengthened nickel-based alloys. It was repor[...]

  W artykule przedstawiono wyniki badań dotyczące charakterystyki powłok dyfuzyjnych otrzymanych w wyniku procesu dyfuzyjnego nasycania krzemem w proszkach aktywowanych blach molibdenowych i ze stopu TZM. Scharakteryzowano morfologię powierzchni zewnętrznej uzyskanych powłok oraz ich skład fazowy i chemiczny. Określono również grubość i budowę wewnętrzną warstw krzemkowych. Stwierdzono, że grubość warstw krzemkowych ok. 40 μm w po 18 godzinach procesu krzemowania. W przypadku stopu TZM jest ona minimalnie mniejsza niż dla czystego Mo. Skład fazowy warstw we wszystkich przypadkach to krzemek typu MoSi2. Słowa kluczowe: warstwy krzemkowe, molibden, TZM, mikrostruktura Characterization of silicide coatings on Mo and TZM alloy The article presents the results of the examination related to characterization of diffusion coatings obtained in pack cementation process on Mo and TZN alloy sheet. Top surface of coatings, their chemical compositions were characterized. The thickness of coatings and their internal structure was evaluated as well. It was revealed that the thickness of silicide coatings was ca. 40 μm, after 18 hours of exposure during diffusion process of siliconizing. In the case of TZM alloy the thickness is little lower than in pure Mo. Keywords: silicide coatings, molybdenum, TZM alloy, microstructure 1. Wprowadzenie Molibden i jego stopy, w tym na przykład stop TZM (Mo-0.5Ti-0.1Zr -0.02C) stosowane są jako materiały do zastosowań wysokotemperaturowych. Wynika to z ich niezwykle korzystnych właściwości użytkowych w wysokiej temperaturze. Do grupy tych właściwości zaliczyć można przede wszystkim wysoką temperaturę topnienia, wysoką wytrzymałość na pełzanie w podwyższonej temperaturze oraz odporność na korozję w środowisku ciekłych metali i ich stopów [1]. Główną słabością molibdenu i jego stopów, jest jego niska odporność na utlenianie w wysokiej temperaturze. Brak odporności na utlenianie spowodowany jest tworzeniem si[...]