روکش کامپوزیت آلومینا با خواص بهبودیافته عایق الکتریکی دمای بالا در زیرلایه‌های سوپرآلیاژی پایه Ni

چکیده

کلمات کلیدی

1 مقدمه

تصویر 1- نمای کلی سنسورهای لایه‌نازک روی زیرلایه سوپرآلیاژ

جدول 1- پارامترهای رسوب‌دهی پراکنش مگانترونی DC روکش NiCrAlY

تصویر 2- نمای کلی اندازه‌گیری مقاومت عرضی روکش کامپوزیت زیرلایه سوپرآلیاژ پایه نیکل

تصویر 3- تصاویر SEM (الف) به عنوان لایه آماده TGO و نمونه‌های (ب) C3، (ج) C5، و (د) C7

تصویر 4- الگوهای XRD لایه TGO و نمونه C5

2 آزمایش

تصویر 5- طیف‌های XPS روکش کامپوزیت (C5) و نقطه اوج متعارف Al2p، O1s

تصویر 6- مقاومت الکتریکی عرضی لایه TGO و روکش کامپوزیت در دمای بالا

تصویر 7- تصویر برش عرضی SEM روکش کامپوزیت (C7)

تصویر 8- عکس TFTC و نمای کلی سامانه کالیبراسیون

تصویر 9- نتایج کالیبراسیون TFTC نوع S زیرلایه سوپرآلیاژ پایه نیکل

3 نتایج و بحث

4 نتیجه‌گیری

عایق الکتریکی زیرلایه‌ سوپرآلیاژ پایه نیکل یکی از مشکلات مهم اطمینان عملکرد و مقاومت سنسورهای مجتمع لایه‌نازک،به ویژه در محدوده‌های پردماست. در این مقاله، یک رویکرد فرآوری محلول را شرح داده‌ایم که برای تولید روکش‌های عایق الکتریکی دمای بالا در زیرلایه‌های سوپرآلیاژ پایه Ni به کار می‌رود. روکش‌های NiCrAlY را با پراکنش مگانترونی DC تولید و گرمادهی کردیم، و سپس لایه‌های Al2O3 را با روش سل‌ژل ته‌نشین کردیم. برای مشخصه‌یابی ترکیب، فاز، ریزساختار و مورفولوژی روکش‌های کامپوزیت از روش‌های پراش اشعه ایکس ، طیف‌نگاری فوتوالکترونی و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) استفاده کردیم. مقاومت الکتریکی روکش‌ها را به صورت تابعی از دمای حداکثر 800 oC به دست آوردیم. در محدوده دمایی 600 تا 800 oC، مقاومت الکتریکی همواره بیشتر از بود. این روکش عایق در تست‌های شوک الکتریکی و خستگی گرمایی سالم ماند و ترک‌خوردگی و لایه‌شدگی نداشت. برای تأیید عملکرد عایق الکتریکی در دمای بالا هم یک ترموکوپل لایه‌نازک نوع S را تهیه کردیم.

سنسورهای لایه‌نازک دستگاه‌های الکتریکی چند لایه‌ای هستند که ضخامتشان در محدوده میکرومتر است. این سنسورها، بر خلاف سنسورهای سیمی یا فویل، در اندازه‌گیری سطحی دقیق بوده و، به دلیل جرم گرمایی ناچیزشان، واکنش سریعی دارند. همچنین، دارای حداقل اثرگذاری بر الگوهای گرمایی و لرزش قطعات هستند و در جریان گاز سطحی کمترین اختلال را ایجاد می‌کنند. این مزایا باعث می‌شوند که سنسورهای مذکور بهترین نمونه‌های آزمایشی، تأییدی، و پایش سلامت فوری موتورهای توربین گاز باشند [1-4]. از آنجا که قطعات داغ، از جمله پره‌های توربین، در فضاهای خیلی خشن کار می‌کنند، چسبندگی سنسور و عایق الکتریکی‌ آن در زیرلایه مبتنی بر سوپرآلیاژ، به ویژه در دماهای بالا، تأثیر بسیاری بر اطمینان عملکرد و مقاومت سنسورهای لایه‌نازک می‌گذارد. عموماً، لایه روکش پیوند MCrAlY (که M آهن، نیکل، کوبالت، یا ترکیب نیکل و کوبالت است) در زیرلایه سوپرآلیاژ رسوب می‌کند تا مانع انتشار شده و پیوند لایه عایق و زیرلایه را تقویت ‌کند. سپس، یک لایه عایق اکسید عایق الکتریکی را بهبود می‌بخشد، و فیلم حساس رسوب می‌کند و روی لایه عایق اکسید جمع می‌شود. نمای کلی سنسور لایه‌نازک را در تصویر 1 نشان داده‌ایم. Al2O3 یکی از مواد عایق رایجی است که، در دمای بالا، دارای مقاومت ویژه و پایداری کافی است. برای بهبود خواص عایق الکتریک روکش Al2O3، رویکردهای متفاوتی، مانند یک روش نشست و پس-عمل‌آوری، را بررسی کرده‌اند. اما، مقاومت این روکش عایق در دماهای بالا تنها 103 Ω است، که از مقدار قابل‌قبول خیلی کمتر است [5-10]. روش سل‌ژل روشی ساده و مقرون‌به‌صرفه برای تولید فیلم‌ها و روکش‌های ضدبرق است. پوشش‌دهی موادی که ساختار هندسی پیچیده دارند، حفظ یکپارچگی عالی، و ممکن‌ساختن تف‌جوشی دمای پایین از مزایای این روش هستند [10-14]. این ویژگی‌ها باعث شده‌اند که فرآیند سل‌ژل از جمله روش‌های‌ مطلوب تولید روکش‌های عایق الکتریک قطعات داغ موتورهای توربینی باشد. اما، درباره خواص عایق الکتریک روکش‌های آلومینایی که با روش‌ سل‌ژل به دست می‌آیند اطلاعات چندانی وجود ندارد. در این مقاله، ایجاد فیلم‌های آلومینا روی سطح فوقانی روکش پیوند NiCrAlY گرمادیده، در اثر فرآیند ساده سل‌ژل، را شرح داده‌ایم. همچنین، خواص عایق الکتریک ریزساختار و دمای بالا را شرح داده‌ و، برای بررسی چسبندگی روکش، آزمایش‌های شوک گرمایی و خستگی گرمایی را انجام داده‌ایم. در نهایت، روی روکش کامپوزیت، یک ترموکوپل لایه‌نازک (TFTC) ساخته‌ایم تا عملکرد عایق روکش کامپوزیت را بیشتر بررسی کنیم.