ما هي أوضاع فشل TBC الشائعة وكيف يمكن للتصميم والعمليات الحد منها؟

من منظور تحليل الأعطال وهندسة الأنظمة، فإن فشل الطلاء الحراري العازل (TBC) هو عملية تدريجية تتفاعل فيها آليات تدهور متعددة. إن التصميم القوي وعملية التصنيع المحكمة لا تهدف إلى منع الفشل إلى الأبد، بل إلى إدارة هذه الآليات لإطالة عمر الخدمة بشكل يمكن التنبؤ به ومنع الانفصال المبكر والمفاجئ للطلاء (Spallation).

أنماط الفشل الشائعة في TBC

1. الانفصال الناتج عن نمو وعدم استقرار طبقة الأكسيد (TGO)

يُعتبر هذا النمط هو الأكثر شيوعًا في أنظمة TBC. تتشكل طبقة أكسيد نامية حراريًا (TGO) أساسها Al₂O₃ عند واجهة طبقة الربط والطبقة العلوية. وبينما تكون الطبقة الرقيقة الملتصقة والمستقرة واقية، فإن استمرار نموها يؤدي في النهاية إلى الفشل.

• الآلية: مع مرور الوقت ودرجات الحرارة العالية، تزداد سماكة TGO وتُطور إجهادات نمو انضغاطية كبيرة. ومع استنزاف مخزون الألمنيوم في طبقة الربط، تتشكل أكاسيد مختلطة أقل استقرارًا وأكثر نموًا وأضعف في الالتصاق. في النهاية، يحدث تموج وتشقق عند الواجهة، يعقبه انبعاج واسع النطاق وانفصال الطلاء.

• التخفيف عبر التصميم/العملية:

  • تركيب طبقة الربط: استخدم طبقات ربط محسّنة تُكوّن الألومينا (مثل Pt-aluminide أو MCrAlY عالية النقاء) تحتوي على ما يكفي من الألمنيوم وعناصر تفاعلية (Y، Hf) لتعزيز طبقة TGO بطيئة النمو ومتماسكة. جودة الركيزة الفائقة أساسية.

  • التحكم في العملية: ضمان تطبيق نظيف ومتحكم به لطبقة الربط عبر الرش بالبلازما منخفض الضغط (LPPS) أو الترسيب بالبخار الفيزيائي بشعاع الإلكترون (EB-PVD) لتقليل الشوائب التي تشكل نقاط بدء فشل طبقة TGO.

2. إجهاد دورات التسخين والتبريد

تُولّد التغيرات الحرارية الكبيرة أثناء تشغيل وإيقاف المحرك إجهادات دورية بسبب اختلاف معامل التمدد الحراري (CTE) بين الطبقة الخزفية العليا والمادة المعدنية الأساسية.

• الآلية: تؤدي الدورات المتكررة إلى بدء وانتشار التشققات عادةً عند واجهة TGO أو داخل المادة الخزفية قرب الواجهة، مما يؤدي في النهاية إلى الانفصال.

• التخفيف عبر التصميم/العملية:

  • البنية العمودية الدقيقة: يُنصح باستخدام عمليات EB-PVD للمكونات الحرجة مثل الشفرات. حيث توفر البنية العمودية المجزأة الدقيقة لطلاء EB-PVD (مثل YSZ) تحملًا استثنائيًا للإجهاد، مما يسمح للأعمدة بالتمدد والانكماش دون تراكم إجهادات عالية.

  • الطبقات المتدرجة وظيفيًا: في بعض التصاميم، يمكن أن يساعد تنفيذ تدرج تركيبي بين طبقة الربط والطبقة العليا على تقليل الفروقات في الخواص الميكانيكية وبالتالي خفض الإجهادات البينية.

3. التلبد وعدم استقرار الطور

عند درجات التشغيل العالية (أعلى من 1200°C عادةً)، تتغير البنية المجهرية والكيميائية للطلاء الحراري.

• الآلية: تبدأ البنية المسامية للطبقة العليا، الضرورية لانخفاض الموصلية الحرارية، في التلبد والتكاثف. يؤدي ذلك إلى زيادة صلابة الطلاء (تقليل تحمل الإجهاد) وزيادة الموصلية الحرارية (تقليل العزل). في YSZ، قد يحدث تحول طور ضار من الطور الرباعي المستقر جزئيًا (t') إلى الطور أحادي الميل عند التبريد، مصحوبًا بتغير حجمي مدمر.

• التخفيف عبر التصميم/العملية:

  • الهندسة المجهرية: التحكم في المسامية الأولية وهيكل العيوب في الطبقة العليا من خلال ضبط معلمات العملية. تُستخدم عمليات الليزر الحديثة لإنشاء هياكل دقيقة مُصممة خصيصًا.

  • المواد البديلة: تطوير وتطبيق مواد TBC من الجيل التالي مثل زركونات الجادولينيوم (GZ) التي تقاوم التلبد والتحول الطوري في درجات حرارة أعلى من YSZ التقليدية.

4. التدهور البيئي (CMAS والتآكل)

تشكل الملوثات البيئية المستنشقة خطرًا كبيرًا على أنظمة TBC.

• CMAS (سيليكات الكالسيوم والمغنيسيوم والألومنيوم): تتغلغل الرمال والغبار المنصهرة في مسام TBC، وتتصلب عند التبريد، مسببة هشاشة شديدة، وفقدان القدرة على تحمل الإجهاد، وتسريع التلبد.

• التآكل: تؤدي الجسيمات الصلبة إلى إزالة المادة ميكانيكيًا بمرور الوقت.

• التخفيف عبر التصميم/العملية:

  • طلاءات مقاومة لـ CMAS: تصميم تركيبات TBC تتفاعل مع CMAS لتكوين طبقات بلورية مانعة للتغلغل. تُعد المواد مثل GZ أكثر مقاومة من YSZ.

  • طلاءات APS كثيفة متشققة عموديًا (DVC): للمكونات المعرضة للتآكل، يمكن أن يوفر طلاء APS بتركيبة DVC مقاومة أفضل للتآكل مقارنة بـ EB-PVD التقليدي، رغم أنه يقلل قليلاً من تحمل الإجهاد.

  • ترشيح الهواء: في التوربينات الأرضية، يُعد ترشيح الهواء عالي الكفاءة خط الدفاع الأول ضد الملوثات.

النهج الهندسي المتكامل لتقليل الفشل

1. تصميم قائم على النظام: لا يمكن تصميم TBC بمعزل عن النظام. أداؤه مرتبط ارتباطًا وثيقًا بـ تصميم التبريد الداخلي للمكون. فكلما كان الجزء أكثر تبريدًا، تعرض TBC لدرجات حرارة أقل، مما يبطئ جميع آليات التدهور.

2. ضمان جودة التصنيع: الالتزام بمعايير الطيران مثل NADCAP للطلاءات أمر إلزامي. يضمن ذلك التحكم الصارم في تحضير السطح (التفجير الرملي)، وسماكة الطلاء، والبنية المجهرية، مما يقلل من العيوب التي تشكل نقاط بدء للفشل.

3. التنبؤ بالعمر والفحص: استخدم نماذج تعتمد على الفيزياء تأخذ في الاعتبار نمو طبقة TGO وتراكم الإجهادات الدورية للتنبؤ بوقت الاستبدال. أثناء الصيانة، تُستخدم تقنيات الفحص غير التدميري المتقدمة (NDE) لتقييم حالة TBC وتحديد ما إذا كان يمكن إعادة استخدام الجزء أو يحتاج إلى إزالة الطلاء وإعادة تطبيقه.