ENHANCING THE HOT CORROSION RESISTANCE OF 8 - YTTRIA STABILIZED ZIRCONIA-BASED THERMAL BARRIER COATINGS. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Nestor Kodzo Ankah - PhD Dissertation.pdf Restricted to Repository staff only until 25 December 2023. Download (12MB)

Arabic Abstract

تستخدم طلاءات الحاجز الحراري (TBCs) على نطاق واسع في محركات الطائرات وتوليد الطاقة. طلاءات 8YSZ المستخدمة على شفرات سبائك النيكل الفائقة للتوربينات الغازية توفرعزلًا حراريًا يسمح لها بالعمل عند متوسط درجة حرارة ≈ 900-1050 درجة مئوية، في حين أن درجات حرارة الغاز الساخن قد تكون بين 1100 و1275 درجة مئوية. جذبت مقاومة هذه الطلاءات للتدهور الناتج عن درجات الحرارة العالية بسبب الرواسب المسببة للتآكل المرتبطة بالوقود الملوث اهتمامًا كبيرًا في السنوات الأخيرة. فهم التدهور في درجات الحرارة المرتفعة لأنواع الوقود الملوث بالفاناديوم (V) والكبريت (S) والصوديوم (Na) أمرًا ضروريًا لتطوير شفرات مرنة لجميع أنواع الوقود. تم استخدام طريقة منهجية للتحقيق في آليات التحلل الأساسية لـ 8YSZ في ترسبات الأملاح المنصهرة الأكثر احتمالية (خليط V2O5 و Na2SO4 و V2O5 + Na2SO4) الناتجة من استخدام الوقود منخفض الجودة في درجات حرارة تشغيل التوربينات النموذجية. تم فحص تحولات الطور الهيكلية الدقيقة باستخدام حيود الأشعة السينية والمسح المجهري الإلكتروني إلى جانب التحليل الطيفي المشتت للطاقة. كشفت هذه الدراسة أن المنصهر V2O5 يحلل 8YSZ من خلال تكوين m-ZrO2 و YVO4. يؤدي تكوين YVO4 إلى استنفاد Y2O3 المضاف لتثبيت طور t´-ZrO2 وتكوين الطور الضار m-ZrO2. أظهر تحلل 8YSZ في خليط Na2SO4 و V2O5 + Na2SO4 أن Na2SO4 وحده لا يؤثر كثيرا على 8YSZ ولكن عند خلطه مع V2O5 فإن Na2SO4 تشكل NaVO3 والتي بدورها تسبب تدهور 8YSZ من خلال تكوين YVO4. تم اقتراح تعديل فعال من حيث التكلفة لـ 8YSZ وفحصه مبدئيًا عن طريق خلط مسحوق 8YSZ مع مساحيق TBC أخرى عالية الثبات بما في ذلك الزركونيا المستقرة من (CSZ) و (YTiZ). علاوة على ذلك، تم تنفيذ نهج أكثر فعالية من حيث التكلفة من خلال خلط مسحوق 8YSZ مع الأكاسيد MgO و CaO و Ta2O5 و TiO2. تم فحص أداء التآكل الساخن لـ 8YSZ وتعديلاتها بشكل منهجي من خلال المعالجات الحرارية المتساوية في شكل مسحوق واختبارات الفرن الدورية على الأقراص الملبدة، وبعد ذلك الاختبارات الدورية الحرارية على طلاء ات البلازما الهوائية (APS) عند 900 و 1100 درجة مئوية. تم قياس الموصلية الحرارية باستخدام تقنية مصدر المستوى العابر المعدل (MTPS) عند 25 درجة مئوية. أظهرت النتائج أن آلية التآكل الساخن السائدة لطلاء 8YSZ القياسي تحت جميع الظروف المختبرة كانت بشكل أساسي بسبب تكوين أطوارm-ZrO2 و YVO4 من خلال تفاعل كيميائي تفضيلي. في ظل اختبارات التآكل الساخن عند 900 درجة مئوية لمدة 10 ساعات، أظهر كل من 8YSZ الممزوج بـ CSZ و 8YSZ الممزوج مع YTiZ تحسنًا كبيرًا في أداء التآكل الساخن. بالإضافة إلى ذلك، ظهر أداء مزيج (30%CSZ+70%8YSZ) و(30%CSZ+70%8YSZ) و (30%YTiZ+70%8YSZ) و (30%YTiZ+70%8YSZ) المتكلس بعد تعريضه لاختبارات التآكل الساخن الدوري في V2O5 المنصهر عند 1100 درجة مئوية لمدة 48 ساعة أن الأطوار المتكونة كانت m-ZrO2 ، CeVO4 ، و YVO4 بينما في 30YTiZ و 50YTiZ ، كانت الأطوار الجديدة بشكل رئيسي m-ZrO2 و YVO4. علاوة على ذلك، تم تحسين أداء التآكل الساخن بشكل كبير من 90.2٪ من طور m-ZrO2 في مسحوق 8YSZ إلى 75.1٪ في 50CSZ بينما كان هناك تحسين إضافي إلى 34.6٪ من طور m-ZrO2 في 50YTiZ. وبالمثل، فإن النتائج التي تم الحصول عليها من 8YSZ وتعديلاته 8YSZ / CaO و 8YSZ / MgO و 8YSZ / Ta2O5 و 8YSZ / TiO2 تعرضت لاختبارات التآكل الدوري الساخن عند 900 و 1100 درجة مئوية لمدة إجمالية قدرها 48 ساعة أن آلية التآكل الساخنة في ممزوج الأوكسيد مع 8YSZ والمعرضة لملح V2O5 المصهور كانت بشكل أساسي بسبب عدم استقرار طور t-ZrO2 والتكوين اللاحق لـ m-ZrO2 و YVO4. أظهرت اختبارات التآكل الساخن لمساحيق 8YSZ / CaO و 8YSZ / MgO تكوين Ca3V2O5 و Mg2V2O7 ، على التوالي. تم تحديد منتج التآكل الأولي لمسحوق 8YSZ / Ta2O5 على أنه Zr0.66Y0.17Ta0.17O2. أظهر 8YSZ / TiO2 تدهورًا كاملاً عند 900 درجة مئوية لجميع التركيزات ولكن أظهرت مقاومة التآكل الساخن تحسنًا ملحوظًا عند 1100 درجة مئوية مصحوبًا بتكون TiVO4. تم تحضير 8YSZ وتعديلاته على أساس CSZ و YTiZ بشكل منهجي ، واستخدام تقنية الطلاء بالبلازما الهوائية (APS) وتقييم مقاومتها للتآكل الساخن عند 900 و 1100 درجة مئوية في وجود ملح مصهور من V2O5 ومزيج من Na2SO4 + V2O5. كان تحلل التآكل الساخن لطلاءات 8YSZ في V2O5 المنصهر متسقًا مع تفاعل لويس القاعدي/الحمضي حيث يتفاعل V2O5 بشكل تفضيلي ويتفاعل مع مثبت Y2O3 مما أدى إلى تفاعل وتحويل t´-ZrO2 إلى m-ZrO2 في جميع ظروف الاختبار. كانت CSZ و 30 CSZ و 50 CSZ شديدة المقاومة للملح المصهور V2O5 في كلا درجتي حرارة الاختبار. ومع ذلك، فقد كانوا عرضة لتمعدن CeO2 في وجود خليط مصهور V2O5 + Na2SO4. أظهر 30CSZ و 50CSZ مقاومة تآكل ساخنة محسّنة مقارنة بطبقات 8YSZ بسبب الحموضة القوية وتأثير التثبيت العالي لـ CeO2. كان هناك فشل كامل لـ 8YSZ في V2O5 عند 1100 درجة مئوية بينما فشل طلاء CSZ ، 30CSZ في خليط مصهور V2O5 + Na2SO4 عند 1100 درجة مئوية. أظهر 8YSZ الممزوج بـ YTiZ مقاومة عالية للتآكل في كل من خليط V2O5 + Na2SO4 المنصهر وبيئة V2O5 عند 900 درجة مئوية، ومع ذلك، أدت زيادة درجة الحرارة إلى 1100 درجة مئوية إلى زيادة كمية طور m-ZrO2 في V2O5 المنصهر. أظهرت النتائج من طلاءات APS أن 8YSZ المخلوط بـ 50YTiZ و 50CSZ ، على التوالي ، يمكن أن تظهر أداء أفضل عند 900 درجة مئوية عند تعرضها لرواسب منصهرة من خليط V2O5 و V2O5 + Na2SO4.

English Abstract

Thermal barrier coatings (TBCs) have been the most significant advancement in gas turbine engines. TBCs are widely utilized in aircraft engines, power-generation, and marine propulsions. For Ni-based superalloys, TBCs applied on hot-section blades of gas-turbine engines provide thermal insulation which allow the blades to operate at a mean temperature of ≈ 900-1050 oC, while the hot gas temperatures may be ≈1100-1275 oC. In recent years, the resistance of these coatings to high-temperature degradation due to corrosive deposits associated with contaminated fuels has attracted significant attention. A better understanding of the high-temperature degradation of TBCs exposed to Vanadium (V), Sulphur (S), and Sodium (Na) contaminated fuels is essential for developing fuel-flexible gas turbine engines. Firstly, a systematic approach was used to investigate the basic degradation mechanisms of 8YSZ in the most encountered molten salts (V2O5, Na2SO4 and V2O5 + Na2SO4 mixture) deposits from the use of low-quality fuels at typical turbine operating temperatures. Phase transformations and microstructural developments were examined by using x-ray diffraction and scanning electron microscopy coupled with energy dispersive spectroscopy. This study revealed that molten V2O5 degrades 8YSZ through the formation of m-ZrO2 (monoclinic zirconia) and YVO4 (yttria vanadate). The formation of YVO4 depleted the Y2O3 stabilizer and led to the deleterious phase transformation of 8YSZ to the m-ZrO2 phase. The degradation of 8YSZ by Na2SO4 and V2O5 + Na2SO4 mixture has shown that Na2SO4 alone did not destabilize 8YSZ, however, when combined with V2O5, Na2SO4 formed sodium vanadates such as NaVO3, which in turn degraded 8YSZ through the formation of YVO4. Secondly, a cost-effective modification of 8YSZ was proposed and examined, initially by mixing 8YSZ powder with highly stabilized TBC commercial powders including ceria stabilized zirconia (CSZ) and zirconia yttria titania composite (YTiZ). Furthermore, a more cost-effective approach was implemented through mixing of 8YSZ powder with potential ceramic oxides such as MgO, CaO, Ta2O5 and TiO2. The hot corrosion performances of 8YSZ and their modifications were systematically investigated through isothermal heat treatments in powder form, furnace cyclic tests on sintered pellets, and subsequently furnace cyclic tests on air plasma sprayed (APS) coatings at 900 and 1100 oC. The thermal conductivities were measured using the modified transient plane source (MTPS) technique at 25 oC. Microstructure, elemental analysis, and phase evolution were characterized by field emission scanning electron microscope (FESEM) with energy dispersive spectroscopy (EDS), and X-ray diffractometer (XRD), respectively. The results showed that the dominant hot corrosion mechanism of the standard 8YSZ coating under all tested conditions was essentially due to the formation of m-ZrO2 and YVO4 phases through preferential chemical reaction. Under isothermal hot corrosion tests at 900 oC for 10 h , both 8YSZ doped with CSZ and 8YSZ doped with YTiZ powder mixtures exhibited significant improvements in the hot corrosion performance. In addition, the performance of 70 wt.% 8YSZ + 30 wt.% CSZ (30CSZ), 50 wt.% 8YSZ + 50 wt.% CSZ (50CSZ), 70 wt.% 8YSZ + 30 wt.% YTiZ (30YTiZ) and 50 wt.% 8YSZ + 50 wt.% YTiZ (50YTiZ) sintered pellets subjected to cyclic hot corrosion tests in molten V2O5 at 1100 oC for 48 h showed that the new phases present in 30CSZ and 50CSZ pellets were m-ZrO2, CeVO4, and YVO4 while in 30YTiZ and 50YTiZ, the new phases were mainly m-ZrO2 and YVO4. Furthermore, m-ZrO2 formation owing to hot corrosion reduced from 90.2% in 8YSZ to 75.1% in 50CSZ pellets while there was further reduction of 34.6% in 50YTiZ pellets. Similarly, the results obtained from 8YSZ and its modifications 8YSZ/CaO, 8YSZ/MgO, 8YSZ/Ta2O5, and 8YSZ/TiO2 pellets subjected to cyclic hot corrosion tests at 900 and 1100 oC for a total duration of 48 h in the presence of molten V2O5 revealed that the dominant hot corrosion mechanism for the four doped 8YSZ powders was primarily due to destabilization of the t´-ZrO2 phase and the subsequent formation of m-ZrO2 and YVO4. Hot corrosion tests of 8YSZ/CaO and 8YSZ/MgO powders showed the formation of vanadates of Ca3V2O5 and Mg2V2O7, respectively. The primary corrosion product of 8YSZ/Ta2O5 powder was identified as the tetragonal phase Zr0.66Y0.17Ta0.17O2. 8YSZ/TiO2 showed complete degradation at 900 °C for all doping concentrations, however, the resistance to hot corrosion showed marked improvement at 1100 oC accompanied by the formation of TiVO4. 8YSZ and its modifications based on CSZ, and YTiZ were systematically prepared, air plasma sprayed (APS) and evaluated for their hot corrosion resistance at 900 and 1100 oC in the presence of molten salt of V2O5 and mixture of Na2SO4 + V2O5. The hot corrosion degradation of APS 8YSZ coatings in molten V2O5 was consistent with Lewis’s acid-base reaction whereby V2O5 preferentially reacted and leached Y2O3 stabilizer resulting in the transformation reaction of t´-ZrO2 to m-ZrO2 under all testing conditions. CSZ, 30CSZ and 50CSZ APS coatings were highly resistant to molten salt of V2O5 at both test temperatures. However, they were vulnerable to mineralization of CeO2 in the presence of V2O5+Na2SO4 molten mixture. 30CSZ and 50CSZ showed improved hot corrosion resistance compared to 8YSZ coatings due to the higher acidity and hence higher stabilization effect of CeO2. There was a complete delamination of 8YSZ in V2O5 at 1100 oC while CSZ, 30CSZ coatings failed in V2O5 + Na2SO4 molten mixture at 1100 oC. 8YSZ doped with YTiZ exhibited high resistance to corrosion in both V2O5 + Na2SO4 molten mixture and V2O5 environment at 900 oC, however, increasing the temperature to 1100 oC led to an increase in the amount of m-ZrO2 phase in molten V2O5 while there was complete spallation of the coatings in the molten salt mixture. The findings from the APS coatings showed that 8YSZ doped with 50YTiZ and 50CSZ, respectively, could be a potential TBC material at 900 oC when exposed to molten deposits of V2O5 and V2O5 + Na2SO4 mixtures.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Engineering General Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Gasem, Zuhair Mattoug
Committee Members:	Al-Athel, Khaled Saleh and Nouari, Saheb and Mezghani, Khaled and Obot, Bassey Ime
Depositing User:	NESTOR ANKAH (g201205800)
Date Deposited:	27 Dec 2022 07:17
Last Modified:	27 Dec 2022 07:17
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142268