MICROSTRUCTURE IMAGE-BASED MODELLING OF FAILURE IN THERMAL BARRIER COATINGS USING EXTENDED FINITE ELEMENT METHOD

MICROSTRUCTURE IMAGE-BASED MODELLING OF FAILURE IN THERMAL BARRIER COATINGS USING EXTENDED FINITE ELEMENT METHOD. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF
MS thesis_Ahmed Abdelgawad.pdf - Draft Version
Restricted to Repository staff only until 22 November 2021.

Download (6MB)

Arabic Abstract

استخدام الدهانات العازلة للحرارة في دهان الاجزاء المعدنية للمحركات التوربينية يسمح لهذه الاجزاء بالعمل عند درجات حرارة مقاربة لدرجة حرارة انصهارها. طبقة الاكسيد النامية حرارية تتسبب في ظهور الشروخ المجهرية في طبقة الطلاء العليا والتي قد تتسبب في انهيار العزل عن طريق انفصال طبقة السيراميك. تم تطوير نموذج محاكاة باستخدام طريقة العناصر المحدودة يشمل خواص المواد الحرارية والميكانيكية والاستعانة بحزمة برامج تجارية (ABAQUS) لفحص تاثير الاجهادات المتبقية الناتجة من التحميل الحراري المتتابع. هذا النموذج يأخذ في الاعتبار الشكل الحقيقي لسطح التلاقي بين الطبقات المختلفة وكذلك يشمل المسامات الناتجة من عملية الطلاء استنادا الي صورة مأخوذة بالمجهر الالكتورني الماسح والاستفادة من تقنيات معالجة الصور. تم فحص تأثير تموّج سطح طبقة الطلاء العليا على ظهور الشروخ الرأسية اثناء عملية التسخين وتأثير المسام في ظهور الشروخ الافقية في خلال التبريد بسبب عملية انعكاس الاجهادات و مقارنة النتائج لعدة سماكات مختلفة لطبقة الاكسيد النامية حرارياً وكذلك تحديد الاماكن المحتملة لظهور الشروخ. بالاضافة الى دراسة تأثير الزحف على الاجهادات الناتجة. وقد اظهرت الدراسة ان وجود المسام يسبب تركيز للاجهادات حولها خاصةً بالقرب من سطح التقابل مما قد يؤدي الى ظهور الشروخ الافقيةز في النهاية تم استخدام طريقة العناصر المحدودة الممتدة لمتابعة ظهور وانتشار الشروخ اثناء عملية التبريد وتأثير وجود المسام وسُمك طبقة الاكسيد النامية حرارياً على هذا الانتشار. وقد وُجد انه بوجود المسام تزداد درجة حرارة ظهور الشروخ ويزداد معدل انتشارها.

English Abstract

Using thermal barrier coatings (TBC) allows the metallic internal components of gas turbine engines to operate at elevated temperatures near to its melting temperatures. Thermally grown oxide formation at the top coat (TC) and the bond coat (BC) interface induces cracks in the TC that may lead to complete TBC failure due to spallation. A finite element model was developed using commercial finite element package ABAQUS to investigate the development of residual stresses resulting from cyclic loading of TBCs. The model includes thermo-mechanical material properties while considering the real interface between the coating layers. also, the model considers real pores based on a scanning electron microscope (SEM) image taking the advantage of image processing techniques. Effect of TC surface roughness on the formation of normal cracks during heating step, and the role of pores on the initiation of longitudinal cracks through the cooling step due to stress inversion are examined for different TGO thicknesses. In addition, determination of critical sites for crack initiation is studies for the same cases. It was found that presence of pores within the TC layer causes stress concentration regions, and propagation of horizontal cracks starts around pores near the TC/TGO interface. Moreover, the effect of creep for all layers on the generated residual stresses was studied. Neglecting of creep effect leads to having more stress at the end of cooling step with the same stress distribution. Finally, extended finite element method (XFEM) is used to track the crack initiation and propagation during the cooling step with and without pores for different TGO thicknesses. XFEM has revealed that Presence of pores makes cracks initiate at higher temperatures during cooling step and increase the crack propagation rate.

Item Type: Thesis (Masters)
Subjects: Mechanical
Department: College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor: Al-Athel, Khaled
Committee Members: Dvorkin, Jack and Albinmousa, Jafar
Depositing User: AHMED AHMED ABDELGAWAD (g201705510)
Date Deposited: 26 Nov 2020 08:19
Last Modified: 26 Nov 2020 08:19
URI: https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141741