Katmanlı ve fonksiyonel derecelendirilmiş malzemelerden yapılmış termal bariyer kaplamalarındaki termal gerilimlerin sonlu elemanlar metodu ile hesaplanması
Termal bariyer kaplamaları malzemenin çalışma sıcaklığını yükselterek sistemin verimini arttırmak amacı ile kullanılır. Genelde metal alt tabakanın üzerine homojen seramik kaplama şeklinde uygulanmaktadır. Bu tür kaplamalarda çalışma esnasında görülen en önemli problem, metal alt tabaka ile seramik kaplamanın termal genleşme sabitlerinin farklı olması nedeniyle ortaya çıkan büyük termal gerilmelerdir. Bu gerilmeler sonucunda sistemde çatlaklar ve metal/seramik ara yüzünde ayrılmalar görülmektedir. Sözkonusu çatlakları ve ayrılmaları önlemek için fonksiyonel derecelendirilmiş malzemelerden yapılmış kaplamalar geliştirilmiştir. Bu tür kaplamalarda malzeme özellikleri kaplama kalınlığı boyunca fonksiyonel olarak değiştirilmekte ve bu sayede kaplama ile alt tabaka arasındaki uyumsuzluk ve termal gerilmeler en düşük dereceye indirilebilmektedir. Bu çalışmada nikel alaşımlı Rene-41 alt tabakasından ve Zirkonya/Rene-41 karışımı, katmanlı ve fonksiyonel derecelendirlmiş termal bariyer kaplamalarından oluşan silindir şeklindeki numunelerdeki termal gerilmeler, özel olarak geliştirilmiş sonlu elemanlar metodu kullanılarak hesaplanmış ve fonksiyonel derecelendirilmiş kaplamanın katmanlı kaplamalara göre daha güvenlilir olduğu gösterilmiştir.
Thermal barrier coatings are used for increasing the operating temperature of the material hence the thermal efficiency of the system. Usually, homogeneous ceramic coatings on metal substrates are used for this purpose. The most important problem faced in the systems with these types of coatings is thermal stresses which develop during operation due to high mismatch in the thermal expansion coefficients of metal substrate and ceramic coating. As a result of these thermal stresses, edge cracking and debonding occur along metal/creamic interface in the system. To prevent cracking and debonding, coatings made from functionally graident materials (FGMs) were introduced. In these types of coatings, material properties are functionally changed along the thickness of the coating, thus the mismatch between substrate and coating and thermal stresses in the system are minimized. In this study thermal stresses in disk-shaped specimens of nickel based metal alloy Rene-41 substrate and Zirkonya/Rene-41 composite coatings are calculated using specially developed finite element method. Funtinally gradient coating and layered coatings are considered and it is shown that functionally gradient coating is safer compared to layered coatings.
___
1.A.P, Batakis, J.W. Yogan, Rocket Thrust Chamber Thermal Barrier Coatings, NASA Contract Report 1750222, 19852.D.L. Houck, Thermal Spray: Advances in Coatings Technology", Proceedings of the National Thermal Spray Conference, ASM International, 1987
3.T. Hirano, T. Yamada, Multi-Paradigm Expert System Architecture Based Upon the Inverse Design Concept, International Workshop on Artificial Intelligence for Industrial Applications, Hitachi, Japan, May 25-27 (1988).
4.T. Hirano, T. Yamada, J. Teraki, M. Niino, A. Kumakawa, A study on a Functionally Gradient Material Design System for a Thrust Chamber, Proceedings of the 16 th International Symposium Space Technology ve Science, Sapporo, Japan, 1988
5.M. Niino, S. Maeda, Recent Development Status of Functionally Gradient Materials, I.S.I .J. International 30 (1990) 699-703
6.M. Yamanouchi, M. Koizume, T. Hirai, I. Shiota, FGM-90, Proceedings of the 1 st International Symposium on Functionally Gradient Materilas, FGM Forum, Sendai, Japan (1990)
7.J.Holt, M. Koizumi, T. Hirai, Z. Munir, in Ceramic Transactions, Proceedings of the 2nd International Symposium on Functionally Gradient Materials 34, 1992
8.A. Kawasaki, R. Watanabe, in FGM-90, Yamanouchi et. al., Sendai, Japan, 1990, 197-202
9.K.Kokirii, Y. Takeuchi, in FGM-90, Yamanouchi et. al., Sendai, Japan, 1990, 31-36
10.M. Case, K. Kokini, in Ceramic Coatings, K. Kokini, The 1993 ASME Winter Annual Meeting, New Orleans, Louisiana MD-Vol. 44, 1993, 149-162
11.F. Erdoğan, ASME Journal of Applied Mechanics 32, 1965, 403-410
12.F. Erdoğan, V. Biricikoğlu, International Journal of Engineering Science 11, 1973, 645-766
13.R.L. Williamson, B.H. Rabin, in Ceramic Transactions, Proceedings of the 2 nd International Symposium Functionally Gradient Materals, Holt et al. 34,1992
14.F. Erdoğan, B.H. Wu, in Ceramic Transactions, Proceedings of the 2 nd International Symposium Functionally Gradient Materals, Holt et al. 34,1992
15.E Erdoğan, Y.EChen, in Ceramic Transactions, Proceedings of the 2 nd International Symposium Functionally Gradient Materals, Holt et al. 34,1992
16.Y.F.Chen, The Interface Crack Problem in Nonhomogeneous Bonded Materials of Finite Thickness, Ph.D. Dissetation, Lehigh University, 1990
17.B. Yildirim, F. Erdoğan, Edge Crack Problems in Homogenous and FGM Thermal Barrier Coatings Under Uniform Thermal Loading, Journal of Thermal Stresses (Basım için Kabul edildi)
18.S. Nusier, G. Newaz, Analysis of Interfacial Cracks in a TBC/Superalloy System under Thermal Loading, Engineering Fracture Mechanics, vol. 60, pp. 577-581, 1998.
19.B. Yildirim, Nonlinear Thermal Stress/Fracture Analysis of Multilayer Structures using Enriched Finite Elements, Ph.D. Dissetation, Lehigh University, Bethlehem, PA, 2000.
- ISSN: 1300-3402
- Yayın Aralığı: Yılda 4 Sayı
- Başlangıç: 1957
- Yayıncı: TMMOB MAKİNA MÜHENDİSLERİ ODASI