TBC की सामान्य विफलता मोड क्या हैं और डिज़ाइन व प्रक्रिया उन्हें कैसे घटा सकते हैं?
विफलता विश्लेषण और सिस्टम इंजीनियरिंग के दृष्टिकोण से, थर्मल बैरियर कोटिंग (TBC) की विफलता एक क्रमिक प्रक्रिया है, जिसमें कई क्षरण तंत्र आपस में अंतःक्रिया करते हैं। एक मजबूत डिज़ाइन और नियंत्रित निर्माण प्रक्रिया का उद्देश्य विफलता को हमेशा के लिए रोकना नहीं, बल्कि इन तंत्रों का प्रबंधन करना है ताकि सेवा जीवन को पूर्वानुमेय रूप से बढ़ाया जा सके और समय से पहले, विनाशकारी स्पैलेशन को रोका जा सके।
सामान्य TBC विफलता मोड
1. TGO वृद्धि और अस्थिरता से प्रेरित स्पैलेशन
यह अधिकांश TBC प्रणालियों के लिए प्रमुख विफलता मोड है। बॉन्ड कोट/टॉप कोट इंटरफ़ेस पर एक थर्मली ग्रोन ऑक्साइड (TGO) परत बनती है, जो मुख्य रूप से Al₂O₃ से बनी होती है। जबकि एक धीरे-धीरे बढ़ने वाली, आसंजक TGO सुरक्षात्मक होती है, उसकी निरंतर वृद्धि अंततः विफलता का कारण बनती है।
तंत्र: उच्च तापमान पर समय के साथ, TGO मोटी होती जाती है और महत्वपूर्ण संपीड़न वृद्धि तनाव विकसित करती है। जैसे-जैसे बॉन्ड कोट में एल्यूमिनियम भंडार घटता है, कम स्थिर मिश्रित ऑक्साइड बनते हैं जो तेजी से बढ़ते हैं और उनका आसंजन कमजोर होता है। अंततः, इंटरफ़ेस पर झुर्रियां, सूक्ष्म दरारें और फिर बड़े पैमाने पर मुड़ना और स्पैलेशन होता है।
डिज़ाइन/प्रक्रिया समाधान:
बॉन्ड कोट संरचना: अनुकूलित, एल्यूमिना-निर्माण बॉन्ड कोट्स (जैसे Pt-Aluminide या उच्च शुद्धता MCrAlY) का उपयोग करें, जिनमें पर्याप्त Al और सक्रिय तत्व (Y, Hf) हों ताकि धीरे-धीरे बढ़ने वाली, आसंजक TGO को प्रोत्साहित किया जा सके। अधिष्ठान सुपरएलॉय सब्सट्रेट की गुणवत्ता अत्यंत महत्वपूर्ण है।
प्रक्रिया नियंत्रण: बॉन्ड कोट का स्वच्छ और नियंत्रित अनुप्रयोग Low-Pressure Plasma Spray (LPPS) या EB-PVD के माध्यम से सुनिश्चित करें ताकि अशुद्धियों को कम किया जा सके जो TGO विफलता आरंभ बिंदु के रूप में कार्य कर सकती हैं।
2. थर्मल साइक्लिंग थकान
इंजन के स्टार्ट-अप और शटडाउन के दौरान उत्पन्न विशाल तापीय परिवर्तन सिरेमिक टॉप कोट और धात्विक सब्सट्रेट के बीच तापीय प्रसार गुणांक (CTE) के असंतुलन के कारण चक्रीय तनाव उत्पन्न करते हैं।
तंत्र: दोहराए जाने वाले चक्रों से इंटरफ़ेस पर या सिरेमिक सामग्री के भीतर दरारों की शुरुआत और प्रसार होता है, जो अंततः स्पैलेशन में परिणत होता है।
डिज़ाइन/प्रक्रिया समाधान:
कॉलमनर माइक्रोस्ट्रक्चर: ब्लेड जैसे महत्वपूर्ण घटकों के लिए EB-PVD प्रक्रिया निर्दिष्ट करें। EB-PVD TBC की सूक्ष्म, खंडित कॉलमनर संरचना (जैसे YSZ का उपयोग करते हुए) उत्कृष्ट तनाव सहनशीलता प्रदान करती है, जिससे कॉलम उच्च तनाव जमा किए बिना फैल और सिकुड़ सकते हैं।
फंक्शनली ग्रेडेड लेयर्स: कुछ डिज़ाइनों में, बॉन्ड कोट और टॉप कोट के बीच रासायनिक संरचना में क्रमिक परिवर्तन लागू करके गुणों के संक्रमण को सुगम बनाया जा सकता है और इंटरफ़ेस तनावों को कम किया जा सकता है।
3. सिंटरिंग और चरण अस्थिरता
लगातार उच्च परिचालन तापमान (आमतौर पर 1200°C से अधिक) पर, TBC की सूक्ष्मसंरचना और रासायनिक संरचना में परिवर्तन होता है।
तंत्र: टॉप कोट की छिद्रपूर्ण सूक्ष्मसंरचना, जो कम थर्मल चालकता के लिए आवश्यक है, सिंटर होकर घनी हो जाती है। इससे कोटिंग की कठोरता बढ़ती है (तनाव सहनशीलता कम होती है) और ऊष्मीय चालकता बढ़ती है (इन्सुलेशन घटता है)। YSZ के लिए, ठंडा होने पर अस्थिर टेट्रागोनल प्राइम (t') फेज से मोनोक्लिनिक फेज में हानिकारक रूपांतरण हो सकता है, जो आयतन परिवर्तन के साथ विनाशकारी प्रभाव डालता है।
डिज़ाइन/प्रक्रिया समाधान:
सूक्ष्मसंरचनात्मक इंजीनियरिंग: प्रक्रिया मापदंडों के माध्यम से टॉप कोट की प्रारंभिक छिद्रता और दोष संरचना को नियंत्रित करें। नई लेजर-आधारित प्रक्रियाएँ अनुकूलित सूक्ष्मसंरचनाएँ बनाने के लिए विकसित की जा रही हैं।
वैकल्पिक सामग्री: अगली पीढ़ी की TBC सामग्रियाँ विकसित करें जैसे Gadolinium Zirconate (GZ), जो YSZ की तुलना में उच्च तापमान पर सिंटरिंग और चरण रूपांतरण का बेहतर प्रतिरोध करती हैं।
4. पर्यावरणीय क्षरण (CMAS और अपरदन)
पर्यावरणीय संदूषक TBC के लिए गंभीर खतरा प्रस्तुत करते हैं।
CMAS (कैल्शियम-मैग्नीशियम-एल्युमिनो-सिलिकेट): पिघली हुई रेत और धूल TBC की छिद्रपूर्ण संरचना में प्रवेश करती हैं, ठंडा होने पर ठोस हो जाती हैं और गंभीर भंगुरता, तनाव असहिष्णुता और तीव्र सिंटरिंग का कारण बनती हैं।
अपरदन: कठोर कण समय के साथ कोटिंग को यांत्रिक रूप से हटा देते हैं।
डिज़ाइन/प्रक्रिया समाधान:
CMAS-प्रतिरोधी टॉप कोट: ऐसी TBC संरचनाएँ डिज़ाइन करें जो CMAS के साथ प्रतिक्रिया करके क्रिस्टलीय, सीलिंग फेज बनाती हैं जो आगे के प्रवेश को रोकती हैं। GZ जैसी सामग्रियाँ YSZ से अधिक प्रतिरोधी होती हैं।
घनी, ऊर्ध्वाधर रूप से फटी (DVC) APS कोटिंग्स: अपरदन-प्रवण घटकों के लिए, DVC सूक्ष्मसंरचना वाली APS TBC एक मानक EB-PVD कोटिंग की तुलना में बेहतर अपरदन प्रतिरोध प्रदान कर सकती है, हालांकि इसकी तनाव सहनशीलता थोड़ी कम हो सकती है।
वायु निस्पंदन: भूमि-आधारित टर्बाइनों के लिए, उच्च गुणवत्ता वाले इनलेट एयर फिल्टर संदूषक भारों के विरुद्ध प्राथमिक सुरक्षा हैं।
विफलता को कम करने के लिए एकीकृत इंजीनियरिंग दृष्टिकोण
सिस्टम-आधारित डिज़ाइन: TBC को अलग से डिज़ाइन नहीं किया जा सकता। इसका प्रदर्शन घटक की आंतरिक कूलिंग डिज़ाइन से स्वाभाविक रूप से जुड़ा होता है। बेहतर शीतलित भाग TBC को कम तापमान के संपर्क में रखता है, जिससे सभी क्षरण तंत्रों की गति काफी धीमी हो जाती है।
निर्माण गुणवत्ता आश्वासन: कोटिंग प्रक्रियाओं के लिए NADCAP जैसे एयरोस्पेस मानकों का पालन अनिवार्य है। यह सतह तैयारी (ग्रिट ब्लास्टिंग), कोटिंग मोटाई और सूक्ष्मसंरचना पर सख्त नियंत्रण सुनिश्चित करता है, जिससे उन अंतर्निहित दोषों को न्यूनतम किया जा सकता है जो विफलता आरंभ बिंदु बन सकते हैं।
पूर्वानुमेय जीवन और निरीक्षण: TGO वृद्धि गतिकी और चक्रीय तनाव संचय को ध्यान में रखते हुए भौतिकी-आधारित मॉडलों का उपयोग करें ताकि सेवा समाप्ति समय की भविष्यवाणी की जा सके। ओवरहाल के दौरान, उन्नत नॉन-डिस्ट्रक्टिव इवैल्यूएशन (NDE) तकनीकों का उपयोग TBC की स्थिति का मूल्यांकन करने और यह निर्धारित करने के लिए किया जाता है कि कोई भाग पुनः उपयोग योग्य है या उसे स्ट्रिप और री-कोटिंग की आवश्यकता है।
