مدل سازی شکست در پوششهای محافظ حرارتی

پوشش های محافظ حرارتی (thermal barrier coatings) به دلیل مزایای منحصر به فردشان در جهت افزایش دمای کاری و راندمان توربین گاز به طور گسترده ای در اجزای مختلف توربین مورد استفاده قرار می گیرند. این پوشش ها علیرغم داشتن مزایای فراوان، در هنگام کارکرد و مواجهه با دمای بالا، مکانیزم های تخریب متعددی در آنها فعال گشته که هر کدام به گونه ای عملکرد پوشش را تحت تاثیر قرار داده و باعث افت عملکرد آن و در بعضی از موارد منجر به تخریب جزئی یا کلی آن می گردند. در طی این تحقیق، مکانیزم تخریب شکست و جدایی پوشش از روی فلز پایه مورد بررسی قرار گرفته است. در ابتدا، مدلی بر اساس مشخصات ریزساختاری پوشش سرامیک تازه پاشش داده شده حاصل از فرایند پاشش حرارتی و پوشش تف جوش شده در دمای بالا ارائه شده است تا رفتار غیر خطی پوشش های سرامیک پاشش حرارتی شده تحت بارگذاری فشاری و تغییر رفتار تنش- کرنش پوشش ناشی از فرایند تف جوشی در دمای بالا را شبیه سازی نماید. نتایج حاصل از مدل به کمک نتایج تجربی راستی آزمایی شده است. نتایج آنالیز حساسیت نشان می دهد که عمده تغییرات خواص مکانیکی و رفتار پوشش در طی فرایند تف جوشی، ناشی از فرایند نفوذ سطحی بوده که در طی آن از میزان ریزترک های موجود در پوشش کاسته می شود. در ادامه مدلی برای بررسی عملکرد پوشش محافظ حرارتی تحت بارگذاری دمایی ارائه شده است که در آن تحولات متالورژیکی که در پوشش در حین کارکرد اتفاق می افتد، لحاظ شده است. به کمک نتایج حاصل از مدل ارائه شده، ضمن توجیه فرایندهای فیزیکی شکست که در لایه های مختلف پوشش و در فصول مشترک آنها اتفاق می افتد، تاثیر پارامترهای ریزساختاری لایه سرامیک بیرونی بر روی تنش های موثر در شکست پوشش نیز بررسی گردیده است. رشد لایه اکسید و تف جوشی لایه سرامیک بیرونی از عوامل مهم در تخریب پوشش تشخیص داده شده اند. با استفاده از تکنیک modified crack closure integral (mcci)، رفتار ترک در نواحی مختلف لایه سرامیک بیرونی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. نتایج نشان می دهند که بارگذاری ترک ها با رشد لایه اکسید تغییر می یابد و فرایند رشد ترک جدایی تنها می تواند در نواحی نزدیک به فصل مشترک لایه های اکسید و سرامیک بیرونی اتفاق بیافتد. همچنین زبری سطوح در هنگام فرایند پاشش تاثیر زیادی بر روی بارگذاری ترک دارد. بنابراین از نقطه نظر مکانیک شکست بهتر است که دامنه ناهمواری تا حد امکان کمتر شود هر چند که از نقطه نظر فرایند پوشش دهی، بایستی حداقل زبری سطح موجود باشد تا چسبندگی لایه سرامیک بیرونی به لایه واسطه به خوبی صورت پذیرد. بنابراین زبری بهینه ای وجود دارد که در آن دو معیار شکست و چسبندگی به طور همزمان و به طور نسبی ارضاء می شوند.