In the present work, the measurement method of residual stresses in thermal barrier coatings(TBCs) which are received the thermal shock is performed numerically. For this, the internal residual stresses are predicted by commercial FEM software ABAQUS because the hole drilling strain gage method measures residual stresses only near the surface of a material. As the results of this study, the residual stresses are linearly increased when the surface temperatures are over $1,200^{\circ}C$. It is also found that the values of residual stress are increased as the coating thickness is thin.
Impedance spectroscopy is a non-destructive evaluation (NDE) method first proposed and developed for evaluating TGO layers with compressive stress inside thermally degraded plasma-sprayed thermal barrier coatings (PS TBCs). A bode plot (phase angle (h) vs. frequency (f)) was used to investigate the TGO layer on electrical responses. In our experimental study, the phase angle of Bode plots is sensitive for detecting TGO layers while applying compressive stress on thermal barrier coatings. It is difficult to detect TGO layers in samples isothermally aged for 100 hrs and 200 hrs without compressive stress, and substantial change of phase was observed these samples with compressive stress. Also, the frequency shift of the phase angle and change of the phase angle are observed in samples isothermally aged for more than 400 hrs.
경사화 두께를 갖는 열차폐 코팅의 열적 내구성과 열적 안정성에 대한 코팅층 두께의 영향을 화염 열피로 시험과 열충격 시험을 통해서 조사하였다. Bond 층과 top 층은 각각 Ni-Cr계 상용 MCrAlY 분말과 상용 이트리아 안정화 지르코니아 (YSZ) 분말을 사용하여 니켈기지의 초내열합금 모재 (GTD-111)에 대기 플라즈마 용사법 (APS)으로 코팅층을 형성하였다. 1100 ℃의 화염으로 1429회 열피로 시험 후 bond 층이 일부 산화되고 top 층과 bond 층 계면에서 열화에 의한 산화층 (TGO)이 관찰되었으나, 코팅층 부위와 관계없이 균열이나 박리현상 없는 양호한 미세구조를 나타내었다. 1100 ℃ 열충격 시험결과, 37회 열충격 테스트 후 코팅층의 얇은 부위에서 박리가 시작되어 98회 시험 후 코팅층의 50% 이상이 박리되었으며, 코팅층의 두께가 얇게 형성된 부위는 코팅층이 두껍게 형성된 부위에 비해, top 층의 박리와 함께 bond 층의 산화가 많이 진행되었으며, 코팅층 두께가 상대적으로 두껍게 형성된 부위에서 열차폐 효과의 증가로 인해 bond 층의 내산화성과 열적 안정성이 우수한 것으로 나타났다.
Material degradation is a multibillion-dollar problem which affects all the industries amongst others. The last decades have seen the development of newer and more effective techniques such as Focused-ion beam(FIB), Transmission electron microscopy(TEM), Secondary-ion mass spectroscopy(SIMS), auger electron spectroscopy(AES), X-ray Photoelectron spectroscopy(XPS) , Electrochemical impedance spectroscopy(EIS), Photo- stimulated luminescence spectroscopy(PSLS), etc. to study various forms of material degradation. These techniques are now used routinely to obtain information on the chemical state, depth profiling, composition, stress state, etc. to understand the degradation behavior. This paper describes the use of these techniques specifically applied to materials degradation and failure analysis.
Lanthanum zirconate, $La_2Zr_2O_7$, is one of the most promising candidates for next-generation thermal barrier coating (TBC) applications in high efficient gas turbines due to its low thermal conductivity and chemical stability at high temperature. In this study, bulk specimens and thermal barrier coatings are fabricated via a variety of sintering processes as well as suspension plasma spray in lanthanum zirconates with reduced rare-earth contents. The phase formation, microstructure, and thermo-physical properties of these oxide ceramics and coatings are examined. In particular, lanthanum zirconates with reduced rare-earth contents in a $La_2Zr_2O_7-4YSZ$ composite system exhibit a single phase of fluorite or pyrochlore after fabricated by suspension plasma spray or spark plasma sintering. The potential of lanthanum zirconate ceramics for TBC applications is also discussed.
Jung, Sung Hoon;Jeon, Soo Hyeok;Park, Hyeon-Myeong;Jung, Yeon Gil;Myoung, Sang Won;Yang, Byung Il
한국세라믹학회지
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제55권4호
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pp.344-351
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2018
The effects of bond coat species on the growth behavior of thermally grown oxide (TGO) layer in thermal barrier coatings (TBCs) was investigated through furnace cyclic test (FCT). Two types of feedstock powder with different particle sizes and distributions, AMDRY 962 and AMDRY 386-4, were used to prepare the bond coat, and were formed using air plasma spray (APS) process. The top coat was prepared by APS process using zirconia based powder containing 8 wt% yttria. The thicknesses of the top and bond coats were designed and controlled at 800 and $200{\mu}m$, respectively. Phase analysis was conducted for TBC specimens with and without heat treatment. FCTs were performed for TBC specimens at $1121^{\circ}C$ with a dwell time of 25 h, followed by natural air cooling for 1 h at room temperature. TBC specimens with and without heat treatment showed sound conditions for the AMDRY 962 bond coat and AMDRY 386-4 bond coat in FCTs, respectively. The growth behavior of TGO layer followed a parabolic mode as the time increased in FCTs, independent of bond coat species. The influences of bond coat species and heat treatment on the microstructural evolution, interfacial stability, and TGO growth behavior in TBCs are discussed.
Kim, Sun-Joo;Lee, Sung-Min;Oh, Yoon-Suk;Kim, Hyung-Tae;Jang, Byung-Koog;Kim, Seongwon
한국세라믹학회지
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제53권6호
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pp.652-658
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2016
Gadolinium zirconate, $Gd_2Zr_2O_7$, is one of the most versatile oxides among the new thermal-barrier-coating (TBC) materials for replacing conventional yttira-stabilized zirconia (YSZ). $Gd_2Zr_2O_7$ exhibits excellent properties, such as low thermal conductivity, high thermal expansion coefficient comparable with that of YSZ, and chemical stability at high temperature. In this study, bulk and coating specimens with $Gd_{2-x}Zr_{2+x}O_{7+0.5x}$ (x = 0.0, 0.5, 1.0) compositions were fabricated in order to examine the characteristics of this gadolinium zirconate system with different Gd content for TBC applications. Especially, coatings with $Gd_{2-x}Zr_{2+x}O_{7+0.5x}$ (x = 0.0, 0.5, 1.0) compositions were produced by suspension plasma spray (SPS) with suspension of raw powder mixtures prepared by planetary milling followed by ball milling. Phase formation, microstructure, and thermal diffusivity were characterized for both sintered and coated specimens. Single phase materials with pyrochlore or fluorite were fabricated by normal sintering as well as SPS coating. In particular, coated specimens showed vertically-separated columnar microstructures with thickness of $400{\sim}600{\mu}m$.
As operating temperatures of engines or turbines continually increase for higher efficiency, significant amounts of researches have been focused on finding new materials, which would be alternatives to conventional yttria-stabilized zirconia (YSZ) for thermal barrier coatings (TBCs). In this study, phase evolution and thermo-physical properties of $La_2(Zr_{1-x}Hf_x)_2O_7$ pyrochlore systems are investigated for TBC applications. $La_2(Zr_{1-x}Hf_x)_2O_7$ systems are comprised by selecting $La^{3+}$ as A-site ions and $Zr^{4+}/Hf^{4+}$ as B-site ions in $A_2B_2O_7$ pyrochlore structures. For the developed phases in $La_2(Zr_{1-x}Hf_x)_2O_7$ compositions, thermo-physical properties such as thermal conductivity, thermal expansion coefficient are examined. The potential of these $La_2(Zr_{1-x}Hf_x)_2O_7$ compositions for TBC application is also discussed.
Kim, Seok-Chan;Go, Jae-Gwi;Jung, Yeon-Gil;Paik, Un-Gyu
Journal of the Korean Society for Industrial and Applied Mathematics
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제15권3호
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pp.223-231
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2011
During spray coating, especially in an air plasma spray (APS), pores, cracks, and splat boundaries are developed and those factors exert influence on thermomechanical properties such as elastic modulus, thermal conductivity, and coefficient of thermal expansion. Moreover, the thermo mechanical properties are crucial elements to determine the thermoelastic characteristics, for instance, temperature distribution, displacements, and stresses. Two types of thermal barrier coating (TBC) model, the dense and porous microstructures, are taken into account for the analysis of microstructural characterizations. $TriplexPro^{TM}$-200 system was applied to prepare TBC samples, and the METECO 204 C-NS powder is adopted for the relatively porous microstructure and METECO 204 NS powder for the dense microstructure in the top coat of TBCs. Governing partial differential equations were derived based on the thermoelastic theory and approximate estimates for the thermoelastic characteristics were obtained using a finite volume method for the governing equations.
A thermal barrier coating (TBC) with self-healing property for cracks was proposed to improve reliability during gas turbine operation, including structural design. Effect of healing agent on crack propagation behavior in TBCs with and without buffer layer was investigated through furnace cyclic test (FCT). Molybdenum disilicide ($MoSi_2$) was used as the healing agent; it was encapsulated using a mixture of tetraethyl orthosilicate and sodium methoxide. Buffer layers with composition ratios of 90 : 10 and 80 : 20 wt%, using yttria stabilized zirconia and $MoSi_2$, respectively, were prepared by air plasma spray process. After generating artificial cracks in TBC samples by using Vickers indentation, FCTs were conducted at $1100^{\circ}C$ for a dwell time of 40 min., followed by natural air cooling for 20 min. at room temperature. The cracks were healed in the buffer layer with the healing agent of $MoSi_2$, and it was found that the thermal reliability of TBC can be enhanced by introducing the buffer layer with healing agent in the top coat.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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