Solid particle erosion of thermal spray and physical vapour deposition thermal barrier coatings

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Solid particle erosion of thermal spray and physical vapour deposition thermal barrier coatings

Le barriere termiche (Thermal Barrier Coating-TBC) sono utilizzate a protezione delle parti calde delle turbine a gas. Da alcuni decenni in aeronautica le TBC sono prodotte attraverso la deposizione in fase vapore (Electron Beam Physical Vapour Deposition – EB-PVD), processo attraverso il quale si ottengono rivestimenti caratterizzati da una struttura colonnare che meglio resiste alla deformazione e all’erosione da particolato solido. Per contro, i rivestimenti EB-PVD hanno costi di produzione più elevati rispetto ai rivestimenti al plasma APS (Air Plasma Spray). Obiettivo del progetto europeo TOPPCOAT è stato lo sviluppo di sistemi di TBC a più elevate prestazioni, basati su processi innovativi di ancoraggio del rivestimento al substrato e caratterizzati da maggiori proprietà protettive. Il primo obiettivo specifico del progetto era quello di migliorare significativamente lo stato dell’arte dei rivestimenti APS, come valida 0alternativa ai più costosi EB-PVD. A tale scopo una TBC standard APS, due APS segmentate, una TBC del tipo EB-PVD e una PS-PVDTM sono state sottoposte a prove di erosione da particolato solido (in jet tester) a 700°C. Sono stati utilizzati angoli di impatto pari a 30° e 90°, che rappresentano rispettivamente il flusso di particelle sul bordo di uscita e d’attacco della pala di turbina. Come erosivo è stato utilizzato il micro quarzo essendo uno dei più importanti costituenti della sabbia e delle ceneri vulcaniche volanti. Al termine delle prove, è stata analizza…

Thermal barrier coatings (TBC) are used to protect hot path components of gas turbines from hot combustion gases. Since some decades in the case of aero engines TBCs are usually deposited by electron beam physical vapour deposition (EB-PVD). EB-PVD coatings have mostly columnar microstructure that guarantees high strain compliance and high solid particle erosion. The main drawback of EB-PVD coating is the deposition cost that is higher than that of air plasma sprayed (APS) TBC. The major S&T objective of the UE project TOPPCOAT was the development of improved TBC systems using advanced bonding concepts in combination with additional protective functional coatings. The first specific objective was to use these developments to provide a significant improvement to state-of-the-art APS coatings and hence provide a cost-effective alternative to EB-PVD. In this perspective one standard porous APS, two segmented APS, one EB-PVD and one PS – PVD^TMwere tested at 700°C in a solid particle erosion jet tester, being EB-PVD and standard porous APS the two reference systems. Tests were performed at impingement angles equal to 30° and 90°, representative for particle impingement on trailing and leading edges of gas turbine blades and vanes, respectively. Microquartz was chosen as erosive being one of the main constituent of sand and fly volcanic ashes. After the end of tests, TBC microstructure has been investigated by electron microscope to characterise the failure mechanisms taking place in TBC. It was found that PS – PVD^TM and highly segmented TBCs showed erosion rates comparable or better than EB-PVD samples.