تحليل عددي و تجربي جدايش پوشش‌هاي سد حرارتي تحت بارگذاري خستگي حرارتي

Numerical and Experimental Analysis of Thermal Barrier Coatings Delamination under Cyclic Thermal Loading

پوششهاي سد حرارتي به عنوان محافظ حرارتي در قطعاتي كه در شرايط كاري دماي بالا كار مي‌كنند، استفاده مي‌شوند. اين پوشش‌ها عموما شامل سه لايه كه به ترتيب پوشش فوقاني سراميكي، لايه‌ي اكسيد رشدكننده و لايه‌ي پوشش پيوندي ناميده مي‌شوند، مي‌باشند. با توجه به فرآيند ساخت و ساختار ويژه پوشش‌هاي سد حرارتي، مكانيزم واماندگي اين پوشش‌ها متاثر از بارگذاريهاي روي قطعه پوششدادهشده ميباشد. در اين مقاله جدايش اين پوشش‌ها تحت بارگذاري تناوبي حرارتي به روش عددي و تجربي بررسي شده‌است. نمونه‌اي از اينكونل 617 كه به روش پاشش هوا-پلاسما پوششدهي شده با استفاده از يك دستگاه تست با قابليت اعمال بار خمشي چهارنقطه‌اي، تحت بارگذاري تناوبي حرارتي با دماي بيشينهي سيكل oC 1170 به همراه بار خمشي مكانيكي ثابت Nmm 7500 قرار گرفته‌است. آزمايش انجام‌شده تا ريزش پوشش‌ها ادامه داشته كه در حين انجام آزمايش‌ها دماي روي سطوح نمونه اندازه‌گيري شده‌است. مدلسازي اجزا محدود با نرمافزار آباكوس براي شبيهسازي شرايط بارگذاري حرارتي و مكانيكي آزمايش انجامشده و از مدل ناحيهي چسبنده براي مدلسازي جدايش پوشش فوقاني و واماندگي پوشش استفاده شده‌است. در انتها با انجام سعي و خطا در مقادير خواص چسبنده، نتايج اجزا محدود بر نتايج آزمايش منطبق شده و خواص چسبندگي بين‌سطحي براي اين پوشش‌ها بر اين اساس تخمين زده شد.

Thermal Barrier Coatings (TBC) are used as thermal protective for components operating at high temperature. These coatings normally have three layers of: ceramic top coat, thermally grown oxide and the bond coat layer. Due to the manufacturing process and the special structure of a TBC system, failure mechanisms of these coatings are affected by both thermal and mechanical loads introduced to the coated part. In this paper delaminations of TBC layers subjected to the cyclic thermal loads have been numerically and experimentally studied. A rectangular specimen made of Inconel 617 coated by air plasma spray (APS) method was loaded in a specific design test setup with capability of simultaneously applying a constant four point bending load and thermal cyclic loadings. The thermal cycles were carried out until the coating was spalled out. The temperature of the specimen surfaces was measured and recorded during the test. Finite elements modeling was also performed using ABAQUS to simulate the the experiment. A cohesive zone model was used to simulate the top coat delamination. Finally, using a trial and error approach on the cohesive properties, finite elements results have been adapted on the experimental results and interfacial cohesive properties have been estimated.