A gas turbine blade with thermal barrier ceramic coating is operated at high temperature to increase engine efficiency. Recently, thermal barrier characteristics have been improved by advanced coating technology through microstructure control and increase of adhesion force of the coating layer. More advanced coating materials, rare earth zircon ate ceramics have been studied for replacing YSZ coatings as thermal barrier coatings. In this study, $La_2O_3,\;HfO_2,\;CeO_2,\;Gd_2O_3$ and pure or yttria stabilized zirconia were prepared. Microstructure analysis and the evaluation of mechanical properties such as Hertzian indentation and hardness test were performed.
In this work, AlON-$Al_2O_3$ coatings were prepared on Al2021 alloy by the electrolytic plasma processing (EPP) method. The experimental electrolytes include: 2 g/l NaOH as the electrolytic conductive agent, 10 g/l $Na_2AlO_2$ as the alumina formative agent, and 0.5 g/l $NaNO_2$, $NaNO_3$, and $NH_4NO_3$ as the nitride inducing agents. The effects of different nitrogen inducing agents were studied by a combined compositional and structural analyses of the ceramic coatings carried out by Xray diffractometry (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) for the specimens EPP-treated at room temperature for 15 min under a hybrid voltage of 260 DC along with an AC 50 Hz power supply (200 V). Microhardness tests and wear tests were carried out to correlate the evolution of the microstructure and the resulting mechanical properties. Potentiodynamic polarizations and immersion corrosion tests were carried out in 3.5wt% NaCl water solutions under static conditions in order to evaluate the corrosion behavior of the coated samples. The results demonstrate that $NaNO_2$ is proven to be a good nitrogen inducing agent to produce high quality AlON-$Al_2O_3$ ceramic coatings.
Inorganic oxide colloids dispersed in alcohol were applied to a stainless steel substrate to produce oxide coatings for the purpose of minimizing emissive thermal transfer. The microstructure, roughness, infrared emissive energy, and surface heat loss of the coated substrate were observed with a variation of the nano oxide sol and coating method. It was found that the indium tin oxide, antimony tin oxide, magnesium oxide, silica, titania sol coatings may reduce surface heat loss of the stainless steel at 300${\circ}C$. It was possible to suppress thermal oxidation of the substrate with the oxide sol coatings during an accelerated thermal durability test at 600${\circ}C$. The silica sol coating was most effective to suppress thermal oxidation at 600${\circ}C$, so that it is useful to prevent the increase of radiative surface heat loss as a heating element. Therefore, the inorganic oxide sol coatings may be applied to improve energy efficiency of the substrate as the heating element.
The ceramic coatings are excellent materials of cutting tools and sliding parts. To evaluate the wear characteristics of very thin ceramic coated layer, it is very important to investigate its wear process microscopically. An effective method for investigating the wear of a thin layer is the observation of wear process in microscopic detail using in-situ system. In this study, using the SEM Tribosystem as in-situ system, the microscopic wear mode of TiN coatings was investigated in repeated sliding. As results, four modes were observed for TiN coatings: Ploughing, powder formation, flake formation and coating delimitation. The observation of the microscopic wear by in-situ system can clarify the allowable stress of TiN coating.
For the plasma sprayed as well as the EB-PVD thermal barrier coatings, the fracture paths within the oxidation products developed at the interface between the partially stabilized zirconia ceramic coating and NiCoCrAlY bond coat during cyclic thermal oxidation has been investigated. It was observed that the fracture in the oxidation products primarily took place within the oxide such as $Ni_{1-x}Co_3(Al_,Cr)_2O_4$ or at the interface between the oxide and $Al_2O_3$. It was found that Al2O3 developed first, followed by the Ni/Co/Cr rich oxides such as ,,$Ni_{1-x}Co_x(Al_,Cr)_2O_4$$Cr_2O_3$and NiO at the interface between the ceramic coating and the bond coat in a cyclic high temperature environment. It was therfore concluded that the formation of the oxide containing Ni, Cr and Co was a life-limiting event for thermal barrier coatings during cyclic thermal oxidation.
As increasing thermal efficiency of the gas turbine, the performance improvement of thermal barrier coatings is also becoming important. Ytrria stabilized zirconia(YSZ) is the most popular materials for ceramic top coating because of its low thermal conductivity. In order to enhance the performance of thermal barrier coatings for hot sections in the gas turbine, suspension plasma spraying was developed in order to feed nano-sized powders. YSZ coatings formed by suspension plasma spraying showed better performance than YSZ coatings due to its exclusive microstructure. In this research, two YSZ coatings were deposited by suspension vacuum plasma spraying at 400 mbar and 250 mbar. Microstructures of YSZ coatings were analyzed by scanning electron image(SEM) on each spraying conditions, respectively. Crystalline structure transformation was not detected by X-ray diffraction. Thermal conductivity of suspension vacuum plasma sprayed YSZ coatings were measured by laser flash analysis. Thermal conductivity of suspension vacuum plasma sprayed YSZ coatings containing horizontally oriented nano-sized pores and vertical cracks showed $0.6-1.0W/m{\cdot}K$, similar to thermal conductivity of YSZ coatings formed by atmospheric plasma spraying.
Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing
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v.22
no.6
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pp.599-608
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2002
The mechanical properties of mullite $(3Al_2O_3\;2SiO_2)$ environmental barrier coatings are determined using a laser-based ultrasonic system. The waveforms generated by a laser source in mullite coatings in the $1-20{\mu}m$ thickness range are evaluated theoretically using the integral transform technique. It is shown that the laser source generated the two lowest order SAW modes in these systems. Experimental waveforms are generated using a 600ps pulsed Nd:YAG microchip laser and detected using a stabilized Michelson interferometer. The dispersion curves for the generated modes are extracted from the experimental data and the mechanical properties of the coatings are obtained by minimizing the error between the measured and calculated velocity values. The waveforms generated in mullite coatings agree well with theory and laser-based ultrasonics is shown to provide an effective tool for the nondestructive evaluation of ceramic coatings.
Finned segment, with which are lined inner wall of the turbine combustors, are subject to severe degradation when they are exposed to a hostile environmment at elevated temperature. To protect the finned segment from this environment and to maintain good mechanical properties of components at high temperature, they are preferred to be coated. The most governing factor for the durability of coatings used in the high temperature is the microstructure of coatings; these are splat from, distibution of microcacks, size and distribution of pores, thickness of coating layer, adhesion between coating layer, and oxidation of band coating. In this study, based on the evaluation of the imported finned segment, new finned segment segment was manufactured with optimum plasma spraying parameters, and their properties were examined. Using $ZrO_2(8wt$Y_2O_3)$,/TEX> powder for ceramic coating and 67Ni-22Cr-10Al-0.5Y mixing powder for bond coating, thickness of ceramic and bond coating layer were varied in order to find optimum condition, the results showed that B2T4(bond coating : 100~250$\mu\textrm{m}$, ceramic coating : 250~300$\mu\textrm{m}$) was the best among the specimens tested. Compared to the imported finned segment, B2T4 has better bond strength, hardness, and isothermal and cyclic oxidation resistance.
Rare-earth zirconates, such as $La_2Zr_2O_7$ and $Gd_2Zr_2O_7$, have been investigated as one of the candidates for replacing conventional yttria-stabilized zirconia (YSZ) for thermal barrier coating (TBC) applications at higher turbine inlet temperatures. In this study, double-ceramic-layer (DCL) TBCs of YSZ 1st layer and $La_2Zr_2O_7$ top coat layer are fabricated by suspension plasma spray with serial liquid feeders. Microstructures, hardness profiles, and thermal durability of DCL-TBCs are also characterized. Fabricated DCL-TBCs of YSZ/$La_2Zr_2O_7$ exhibit excellent properties, such as adhesion strength (>25 MPa) and electrical thermal fatigue (~1429 cycles), which are comparable with TBCs fabricated by atmospheric plasma spray.
Wear and scuffing tests were conducted using friction and wear measurement of piston rings and cylinder blocks in low friction diesel engine. The frictional forces, wear amounts and cycles to scuffing in boundary lubricated sliding condition were measured using the reciprocating wear tester. The cylinder blocks were used as reciprocating specimens, and the piston rings with several coatings were used as fixed pin. Several coatings were used such as DLC, TiN, Cr-ceramic and TiAlN in order to improve the tribological characteristics. From the tests wear volume of piston ring surfaces applied various coatings were compared. During the tests coefficients of friction were monitored. Test results showed that DLC coatings showed good tribological properties. TiN and Cr-ceramic coated rings showed good wear resistance properties but produced high friction.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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