Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.38
no.12
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pp.1427-1430
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2014
A thermal barrier coating (TBC) prevents heat directly transferring from a high-temperature flame to a substrate. The TBC system comprises a top coating and bond coating. TBC technology reduces the substrate surface temperature by about $100{\sim}170^{\circ}C$. In the TBC system, internal stress is generated by the difference in thermal expansion coefficients of the substrate and coating. The internal stress also differs according to the shape and position of the blade. In this study, finite element analysis was performed for different curvatures of coin-shaped specimens, which are commonly used for thermal fatigue tests, and the changes in internal stress of the TBC system were compared. Based on the results, the curvature at which the minimum stress occurs was derived, and the thermal stress was confirmed to increase with the difference between a given curvature and the curvature with the minimum stress.
Thermal Barrier Coating with Functional Gradient Materials (FGM-TBC) can play an important role to protect the parts from harmful environments in high temperatures such as oxidation, corrosion, and wear and to improve the efficiency of aircraft engine by lowering the surface temperature on turbine blade. FGM-TBC can increase the life spans of product and improve the operating properties. Therfore, in this study the evaluations of mechanical and thermal properties of FGM-TBC such as fatigue, oxidation and wear-resistance at high temperatures have been conducted. The samples of both the TBC with 2, 3, 5 layers (YSZ/NiCrAlY) to be produced by Air Plasma Spray method (APS) and the bulk TBC with 6 layers to be produced by Plasma Assisted Sintering method (PAS) were used. Furthermore, residual stress, bond strength, and thermal conductivity were evaluated. The average thickness of the APS was 500$\mu\textrm{m}$ to 600$\mu\textrm{m}$ and the average thickness of the PAS was 3mm. The hardness number of the top layer of APS was 750 Hv to 810Hv and that of PAS was 950 Hv to 1440Hv. The $ZrO_2$ coating layer of APS was composed of tetragonal structure after spraying as the result of XRD analysis. As shown in the results of the high temperature wear test, the 3 layer coating of APS had the best wear resistance at $800^{\circ}C$ and the 5 layer coating of APS had the best wear resistance at $600^{\circ}C$. But, these coatings had the tendency of the low-temperature softening at $300^{\circ}C$. The main mechanism of wear was the adhesive wear and the friction coefficient of coatings was increased as increasing the test temperatures. A s results of thermal conductivity test, the ${\Delta}T$ of the APS coating was increased as number of layer and the range of thermal conductivity of the PAS was $800^{\circ}C$ to $1000^{\circ}C$.
Lee, Sang Baek;Hung, Trinhquang;Jo, Jin Oh;Jung, Jun Bum;Im, Tae Heon;Mok, Young Sun
Applied Chemistry for Engineering
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v.25
no.2
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pp.174-180
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2014
A plasma hydrophobic coating on commercial fish feed was conducted to prolong the floating time of feed, thereby enhancing the feed consumption rate and reducing the contamination of water in fish farms. The hydrophobic coating on the fish feed was prepared using an atmospheric-pressure dielectric barrier discharge (DBD) plasma with hexamethyldisiloxane (HMDSO), toluene and n-hexane as the precursors. The effect of the parameters such as input power, precursor type and coating time on the coating performance were examined. The physicochemical properties of the coating layer were analyzed using a Fourier transform infrared (FTIR) spectrometer and a contact angle (CA) analyzer. The water CA increased after the coating preparation, indicating that the surface changed from hydrophilic to hydrophobic. The FTIR characterization revealed that the hydrophobic layer was comprised of functional groups such as $CH_3$, Si-O-Si and Si-C. As a result of the hydrophobic coating, the floating time of the fish feed increased from several seconds to 3 minutes, which suggested that the plasma coating method could be a viable means for practical applications. Compared to the water CA measured as soon as the coating layer was prepared, the 6-day aged sample exhibited a substantial CA increase, confirming the aging effect on the improvement of the hydrophobicity.
The oxidation behavior of the NiCrAlY bond coat and thermal fatigue failure in the plasma-sprayed thermal barrier coating system, ZrO2.8wt%Y2O3 top coat/Ni-26Cr-5Al-0.5Y bond coat/Hastelloy X superalloy substrate, in commercial use for finned segment of gas turbine burner were investigated. The main oxides formed in the bond coat were NiO, Cr2O3, and Al2O3. It divided the oxide distribution at this interface into two types whether an Al2O3 thin layer existed beneath ZrO2/bond coat interface before operation at high temperature or not. While a continuous layer of NiO was formed mainly in the region where the Al2O3 thin layer was present, the absence of it resulted in the formation of mixture of Cr2O3 and Al2O3 beneath NiO layer. Analyses on the fracture surface of specimen spalled by thermal cycling showed that spalling occurred mainly along the ceram-ic coat near ZrO2/bond coat oxide layer interface, but slightly in the oxide layer region.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.38
no.12
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pp.1431-1434
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2014
The thermal barrier coating (TBC) applied to a gas turbine can be damaged by repeated thermal fatigue during operation, so an evaluation of its durability is needed. Thermally grown oxide (TGO) is generated inside the TBC in a high-temperature environment. The growth of TGO is known to be the main cause of damage to the TBC. Therefore, the durability of TBC should be evaluated according to the growth of TGO. In this research, Kim et al.'s work on the growth of TGO with aging was used as a basis for finite element analysis. The relationship between stress and aging was derived from the finite element analysis results. The durability of the TBC with aging was evaluated through a comparison between the results of the finite element analysis and a bond strength test.
In this study, two computational methodologies were compared to consider an effective conjugate heat transfer analysis technique for the cooled vane with thermal barrier coating. The first one is the physical modeling method of the TBC layer on the vane surface, which means solid volume of the TBC on the vane surface. The second one is the numerical modeling method of the TBC layer by putting the heat resistance interface condition on the surface between the fluid and solid domains, which means no physical layer on the vane surface. For those two methodologies, conjugate heat transfer analyses were conducted for the cooled vane with TBC layer having various thickness from 0.1 mm to 0.3 mm. Static pressure distributions for two cases show quite similar patterns in the overall region while the physical modeling shows quite a little difference around the throat area. Thermal analyses indicated that the metal temperature distributions are quite similar for both methods. The results show that the numerical modeling method can reduce the computational resources significantly and is quite suitable method to evaluate the overall performance of TBC even though it does not reflect the exact geometry and flow field characteristics on the vane surface.
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