Riassunto analitico
Per proteggere i componenti dei moderni sistemi Turbogas per la produzione di energia,si utilizza negli stadi più caldi una barriera termica multistrato (Thermal Barrier Coating, TBC), formata da un layer ceramico esterno e da un rivestimento metallico più interno. Il coating ceramico garantisce l’isolamento termico, quello metallico (bondcoat) protegge il materiale dai fenomeni degradativi. Negli stadi più freddi, come alternativa più economica alla termospruzzatura del bond coating metallico, si impiegano rivestimenti diffusivi ottenuti tramite pack-cementation.
Il continuo innalzamento delle temperature di esercizio delle turbine, necessario per aumentarne il rendimento, richiede l’uso di TBC sempre più performanti.
Scopo del presente lavoro è lo sviluppo di rivestimenti protettivi, applicati utilizzando diverse tecniche di ingegneria delle superfici, per incrementare la longevità dei componenti per turbine a gas.
Lo studio è stato focalizzato sull’indagine sistematica dei parametri di processo e sulla valutazione della resistenza alle alte temperature di bondcoat termospruzzati e di rivestimenti diffusivi ottenuti tramite pack-cementation.
La prima parte del lavoro ha riguardato la deposizione di bondcoat rinforzati tramite aggiunta di ossidi ceramici (Oxide-Dispersion-Strenghtened, ODS).
L’aggiunta di tali ossidi porta ad un incremento della resistenza al creep e ad una riduzione del coefficiente di espansione lineare (CTE) del rivestimento, con conseguente diminuzione degli stress termomeccanici tra i diversi strati della TBC.
Le polveri ODS sono state ottenuti attraverso la macinazione ad alta energia di una miscela composta da particelle di CoNiCrAlY e Al2O3. Il processo di macinazione è stato analizzato nel dettaglio, variando la concentrazione di Al2O3, il tempo e la velocità di macinazione.
Le polveri sono state successivamente termospruzzate tramite High Velocity Oxygen Fuel (HVOF) e Air Plasma Spray (APS), su substrati di Inconel 738.
In particolare sono state depositate due tipologie di rivestimenti: un bondcoat interamente ODS e un sistema ibrido, composto da un bondcoat standard sopra il quale è stato applicato un sottile layer ODS.
I coating depositati tramite APS hanno una porosità molto elevata e zone parzialmente ossidate, quelli applicati tramite HVOF sono invece più densi e omogenei.
Il comportamento dei rivestimenti alle alte T è stato valutato tramite test di ossidazione ciclica e isoterma.
La resistenza all’ossidazione ciclica è fortemente influenzata dalla microstruttura dei coating. I rivestimenti ODS depositati tramite APS si sono danneggiati dopo un numero limitato di cicli mentre quelli depositati tramite HVOF hanno mostrato comportamento migliore. La quantità di Al2O3 all’interno del coating influenza il CTE e di conseguenza ha effetto anche sulla resistenza agli shock termici.
Lo spessore del thermally grown oxide layer (TGO) dipende dalla durata del test di ossidazione isoterma. Durante le fasi iniziali la TGO è composta da Al2O3. L’incremento del tempo di esposizione porta alla formazione di ossidi misti.
Le analisi hanno rivelato che nonostante l’aggiunta di particelle di ossido, la matrice metallica è ancora interconnessa in modo appropriato, permettendo all’Al di diffondere verso l’esterno per formare la scaglia di ossido.
La seconda parte del lavoro ha riguardato la deposizione di rivestimenti diffusivi a base di Cr, utilizzando il processo di pack-chromizing.
Sono stati caratterizzati coating prodotti utilizzando differenti parametri di processo e diverse composizioni del pack-mix.
Al termine del ciclo termico i coating sono composti da un layer esterno ricco di cromo, una zona intermedia contenente particelle ossidate e un layer interno formato da carburi e nitruri di Ti e Cr.
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Abstract
Thermal barrier coatings (TBC) are applied on gas-turbine and aero-engine components to extend their durability, by protecting the base material from thermal degradation. TBCs are usually based on a metallic bondcoat and an external ceramic layer: the former protects the substrate from oxidation and hot corrosion, the latter provides the thermal insulation. To protect the colder stages of gas-turbines, pack-cementation coatings can be employed as a cost-effective alternative to thermally sprayed bondcoats.
The continuous rise of the turbine inlet temperature, necessary for achieving higher thermal efficiency, requires the use of more durable TBCs.
The aim of the present work was the development of protective coatings, applied using different surface engineering techniques, in order to extend the working life of gas-turbine components.
The study was focused on the systematic investigation of the process parameters as well as on the evaluation of the high temperature behavior of thermally sprayed bondcoats and diffusion coatings obtained by pack-cementation.
The first part concerned the deposition of Oxide-Dispersion-Strengthened (ODS) CoNiCrAlY bondcoats.
The addition of oxide particles reportedly improves the creep resistance and reduces the mismatch between the coefficient of thermal expansion (CTE) of the different layers, enhancing the high-temperature behavior of the TBC.
ODS powders were obtained by milling CoNiCrAlY and Al2O3 particles.
The milling process was carefully investigated, by varying the milling speed, the milling time, the ball-to-powder mass ratio and the Al2O3 amount.
Powders were then sprayed by High Velocity Oxygen Fuel (HVOF) and Air Plasma Spray (APS) onto Inconel 738 substrates.
Two different systems were deposited: a full ODS bondcoat and a hybrid TBC based on a thin ODS layer applied above a standard bondcoat.
ODS coatings deposited by APS exhibit high porosity and oxidized zones, whereas HVOF coatings are denser and more homogenous, even if some porosities are still present.
The high-temperature behavior was evaluated by performing thermal cycling oxidation and isothermal oxidation tests.
The microstructure of the coatings strongly influenced the thermal cycling resistance. ODS coatings deposited by APS failed after a limited number of cycles, whereas coatings deposited by HVOF showed a better resistance. The amount of hard phase embedded in the metal matrix affects the CTE and therefore the thermal shock resistance.
The thickness of the thermally grown oxide (TGO) layer depends on the duration of the isothermal oxidation test. During the early stage the TGO is based on Al2O3. Increasing the duration of the test brought to the formation of a mixed-oxide layer.
The analysis revealed that despite the addition of oxide particles, the metal matrix of the thin ODS layers is well connected, allowing the outward diffusion of a proper amount of Al from the standard bondcoat, necessary to form the oxide scale.
The second part of the work was focused on the deposition of Cr-rich diffusion coatings. The addition of Cr is found to be a good improvement against hot-corrosion. Inconel 738 substrates were coated using a pack-chromizing process, varying the pack-mix composition and the duration of the thermal treatment.
The characterization tests demonstrated that the diffusion mechanisms started before reaching the process temperature, leading to the formation of a thin Cr-rich layer on the external surface of the substrates. After a complete treatment, the coating consists of a three-layer structure: a Cr-rich outer layer, an intermediate layer based on Al-rich oxide particles and an inner layer consisting of Ti- and Cr-carbides and nitrides.
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