faza 3: studiul dinamicii modificarilor micro si ...imnr.ro/grazir/doc/rezumat public f3.pdf · ion...

PROGRAMUL 4 “PARTENERIATE IN DOMENIILE PRIORITARE” 2007-2013

Contract 72-179/2008 faza 3/10.12.2010 GRAZIR

1

FAZA 3: Studiul dinamicii modificarilor micro si nanostructurate induse de

socul termic cu gradient moderat si rapid

REZUMAT PUBLCABIL Director General, Director proiect, Dr. ing. Teodor Velea Dr. ing. Radu Robert Piticescu Colectiv de lucru CO: INCDMNR Dr. ing. Adrian Motoc Mihail-CS.3 Ing. Cristian Bogdanescu-C.S.2 Ing. Paul Stanciu-C.S.2 P1: INCAS Responsabil stiintific: Dr. ing. Gh. Ionescu P2: UPB-BIOMAT Responsabil stiintific: Prof. Dr. fiz. Dionezie Bojin P3: COMOTI Responsabil stiintific: Dr. ing. Cristian Carlenescu P4: S.C. Plasma Jet srl Responsabil stiintific: ing. Ion Trusca

* pentru Programul 4 “Parteneriate in domeniile prioritare” se va utiliza modelul din Anexa 1-RST



2

Cod: PO-04-Ed2-R0-F5

Studiul in extenso contine urmatoarele capitlor

Capitol Titlu 1 Introducere. Obiectivele generale si specifice ale proiectului

2 Rezumatul etapei

3 Realizarea pulberilor cu structura miez/invelis nanostructurat pentru obtinerea

epruvetelor cu gradient functional. Caracterizare chimico-fizica a produselor.

4 Obtinerea de epruvete pe baza de pulberi nanostructurate

Realizarea de epruvete multistrat ceramice cu pulberi nanostructurate pe instalatiile

HVOF, HVAF si APS

5 Stabilirea prin experiment a parametrilor asociati pulberilor nanostructurate pentru

realizarea structurilor multistrat ceramice pe epruvete. Testarea la soc termic moderat

si rapid a epruvetelor elaborate, ierarhizarea acestora in raport cu comportarea la soc

termic

6. Echiparea, adaptarea si metrologizarea standului de testare a reperelor model natural:

executii, PIF, experimentari

7. Diseminare, reactualizare pagina web, organizare workshop

8 Concluzii si propuneri.

9. Fisa de prezentare a stadiului de realizare a proiectului



3

CAPITOLUL 1.

Introducere. Obiectivele generale si specifice ale proiectului

Obiectivul prezentului proiect, în conformitate cu obiectivele şi conţinutul tematic ale

Programului 4, constă în creşterea competitivităţii CD prin stimularea unui parteneriat sinergic în

domeniul prioritar al materialelor avansate nanostructurate cu gradient functional, concretizat în

obţinerea de noi materiale şi tehnologii cu înaltă valoare adăugată, destinate utilizării în aplicaţii

ţintă de înaltă tehnicitate - acoperiri rezistente la şoc termo-mecanic pentru aeronautică şi

energetică.

Principalele obiective ştiinţifice prevăzute corespund directiei 7-Materiale, procese

si produse inovative (7.1 Materiale avansate):

- Studiul termodinamic si cinetic al proceselor de sinteza a nanopulberilor pe baza de zirconie cu

structura si distributie controlata in conditii hidrotermale;

- Studiul proceselor de obtinere a structurilor cu gradient functional;

- Predictia termodinamica si analiza reactiilor la interfata strat micro si nanostructurat depus -

substrat;

- Studiul proprietatilor de rezistenta la soc termic si dinamic a nanostructurilor obtinute;

- Studiul termodinamic al formarii stratului oxidic la interfata strat de acrosare/strat ceramic si

pe aceasta baza acumulari stiintifice privind mecanismul exfolierii structurilor multistrat

ceramice;

- Corelarea parametrilor procesului de incalzire in jet de plasma in vederea obtinerii unor

structuri relaxate a straturilor ceramice cu o distributie comandata a porozitatii microfisurilor in

vederea diminuarii tensiunilor induse;

- Studiul proceselor fizico-chimice asociate delaminarii interfaciale ale structurilor multistrat in

relatie cu dinamica socului termic.

Obiective tehnice si tehnologice cuprind:

- Elaborarea, modelarea si optimizarea tehnologiilor de sinteza in-situ la presiuni si temperaturi

ridicate, a nanopulberilor cu structura tip miez/invelis;

- Elaborarea, modelarea si verificarea proceselor de depunere a straturilor cu gradient functional

prin tehnicile de metalizare in jet de plasma (APS – air plsma spray) si metalizare cu viteza

supersonica (HVOF-high velocity oxi fuel), urmarind pastrararea nanostructurii initiale;

- Dezvoltarea modelului experimental pentru aplicatii in energetica- cogenerare;

- Dezvoltarea metodelor de diagnoza a comportarii la soc termic si dinamic a nanostructurilor cu

gradient functional pe baza de zirconie;

- Elaborarea de structuri multistrat cu proprietati comandate in acord cu solicitarile tribologice

complexe, dure, care actioneaza simultan (la valori inalte de temperaturi, peste 1150ºC, soc termic

rapid, eroziune la viteze supersonice, frecare de alunecare, etc) pentru aplicatii vizate din industria

energetica, aeronautica, prin scaderea cu 100ºC-200ºC a temperaturii “reperelor calde” vizate din

industria energetica, aeronautica, etc.



4

- Elaborarea unei noi metode, inovative, pentru evaluarea comportarii in conditii termice externe, de

soc termic rapid, a materialelor noi elaborate in raport cu cele conventionale.

- Elaborarea tehnologiei de obtinere a nanostructurilor si a minim doua repere demonstrator din

industria energetica si testarea acestora pe stand de incercari.

Obiectivele proiectului sunt aliniate tematicii Programului Cadru 7 al Uniunii Europene: directia 4 – Nanostiinte, materiale si procese inovative (NMP) si Energie.

Etapele prevăzute pentru realizarea obiectivelor proiectului sunt urmatoarele:

Etape / activitati Perioada de realizare

ETAPA I. Evaluarea proprietatilor functionale ale protectiilor micronice si nano-structurate in raport cu cele conventionale, pregatirea logistica si tehnica necesara realizarii proiectului

01.10.2008 – 09.02.2009

ETAPA II. Sinteza hidrotermala a pulberilor cu structura miez/invelis pe baza de ZrO2, obtinerea epruvetelor multistrat micronice si nanostructurate, investigatii asociate

10.02.2009 – 05.12.2009

ETAPA III. Studiul dinamicii modificarilor micro si nanostructurate induse de socul termic cu gradient moderat si rapid

06.12.2009 – 05.12.2010

ETAPA IV. Realizarea demonstratorului, model natural, cu protectii micro si nanostructurate rezistente termic, testare pe stand, diseminare rezultate

06.12.2010 – 01.10.2011

In cadrul prezentei etape s-au urmarit obtinerea unui model experimental de laborator -

acoperiri cu rol de bariera termica utilizand pulberi nanostructurate din sistemul ZrO2-Y2O3 –Al2O3

sintetizate hidrotermal, testarea acoperirilor realizate din punct de vedere al rezistentei termice si

dinamcii modificarilor indus la soc termic presum si testarea preliminara privind solicitarile termice

intr-o instalatie experimentale existente de cogenerare. Figura 1.1. prezinta sintetic conceptul

proiectului.

Fig. 1. Conceptul de realizare a proiectului GRAZIR

Sinteza hidrotermala

Tehnologie depunere

Pulbere nanostructurata

Caracterizare chimica si structurala

Caracterizare termo-mcanica si functionala

Verificare model functional energetica- zona “fierbinte” din sistem de co-generare



5

Rezumatul etapei

In aceasta etapa a fost verificat modelul experimental de materiale cu rol de bariera termica

pornind de la pulberi nanostructurate cu structură miez / înveliş sintetizate hidrotermal la IMNR prin

realizarea de depuneri prin metode de pulverizare în plasmă la PlasmaJet srl si a fost efectuata

caracterizarea rezitenţei la şoc termic ridicat şi moderat şi influenţa acestor şocuri aspura

microstructurii.

Lucrarea este structurata pe opt capitole în conformitate cu activitatile stabilite in planul de

realizare al proiectului.

Dupa prezentarea obiectivelor generale (capitolul 1) si al rezumatului etapei (capitolul 2) in

capitolul 3 sunt prezentate rezultatele experimentărilor pentru sinteza hidrotermală a nanopulberilor

din sistemul ZrO2-Y2O3-Al2O3, optimizarea procesului şi testele preliminare de sinteză a pulberilor

din sistemul BaO-ZrO2 ca materiale de realizare a straturilor de bariera termica.

In capitolul 4 al lucrarii sunt prezentate rezultatele experimentărilor efectuate pentru

obtinerea acoperirilor protectoare prin metoda HVAF si APS pentru stratul ceramic utlizând pulberile

nanostructurate granulate din sistemul compozitional ZrO2-Y2O3-Al2O3 obţinute la IMNR. Sunt

recomandati parametrii tehnologici asociati realizarii epruvetelor multistrat cu utilizarea unor pulberi

nanostructurate.

Capitolul 5 prezinta în detaliu metodologia INCAS de testare la loc termic ridicat şi moderat a

acoperirilor multistrat pornind de la pulberile nanostructurate sintetizate. Proprietăţile de rezistenţă

bună la şocuri termice ridicate până la temperaturi de 1100 0C sunt explicate prin analiza

microstructurala la interfaţa substrat / depunere.

Capitolul 6 cuprinde cercetările efectuate de COMOTI pentru verificarea funcţionalităţii

depunerilor pe o instalaţie experimentală de co-generare a energiei.

Lucrarea se incheie cu capitolele privind diseminarea rezultatlor şi concluziile în care sunt

subliniate rezultatele obţinute şi planul de acţiune pentru valorificarea rezultatelor şi aplicarea lor în

activităţile viitoare de cercetare şi în economie.

Activităţile prevăzute în planul de realizare sunt prezentate mai jos:

Activitati prevazute Rezultate urmarite Rezultate obtinute

Activitatea 3.1. Realizarea pulberilor cu structura miez/invelis nanostructurat pentru obtinerea epruvetelor cu gradient functional. Caracterizare chimico-fizica a solutiilor si produselor.

Model experimental de laborator – materiale cu rol de bariera termica din sistemul ZrO2-Y2O3-Al2O3

CO (IMNR): - Model experimental de laborator –pulberi nanostructurate din sistemul ZrO2-Y2O3-Al2O3 cu caracteristici functionale adecuate pentru depunere - Rapoarte de incercare – analiza chimica si DRX



6

Activitatea 3.2. Stabilirea prin experiment a parametrilor asociati pulberilor nanostructurate pentru realizarea structurilor multistrat ceramice pe epruvete. Testarea la soc termic moderat si rapid a epruvetelor elaborate, ierarhizarea acestora in raport cu comportarea la soc termic.

P1 (INCAS): Metodologie de caracterizare a rezistentei la soc termic moderat si rapid a depunerilor cu gradient functional

Activitatea 3.3. Investigatii prin tehnici de metalografie computerizata, SEM, AFM, CSLM privind modificarile inter si intrafaciale induse de socul termic asupra epruvetelor multistrat micro si nanostructurate elaborate

P2 (UPB-Biomat): Rapoarte de caracaterizare microstructurala a depunerilor cu gradient functional

Activitatea 3.4. Echiparea, adaptarea si metrologizarea standului de testare a reperelor model natural: executii, PIF, experimentari

P3 (COMOTI): Model experimental: Executia, PIF si experimentari pe o camera de ardere acoperita preliminar cu zirconie, montata in amenajarea de stand.

Activitatea 3.5. Obtinerea de epruvete pe baza de pulberi nanostructurate Realizarea de epruvete multistrat ceramice cu pulberi nanostructurate pe instalatiile HVOF, HVAF si APS

Metode de caracterizare chimico-fizica si structurala a nanopulberilor si materialelor cu gradient functional Metode de caracterizare a rezistentei la soc termic a materialelor cu gradient functional Metoda de analiza a solicitarilor termice in instalatii experimentale existente

P4 (Plasma Jet SRL): Model experimental de laborator – epruvete cu gradient functional cu rol de bariera termica din pulberi nanostructurate din sistemul ZrO2-Y2O3-Al2O3

Activitatea 3.6. Diseminare, reactualizare pagina web, organizare workshop

- 1 articol trimis spre publicare in revista cotata ISI;

- participare la 2 conferinte internationale: AEROSPATIAL 2010 (INCAS) şi NanoIsrael ed.2-2010;

- workhop romano-german (co-organizatori IMNR şi Netzsch, Pantelimon, 22.04.2010): 1 comunicare orală;

- Reactualizar pagina de web a proiectului

www.imnr.ro/grazir

procedeelor PVD (Physical Vapor Deposition).

Acoperirile de tip bariera termica, TBC (thermal barrier coatings), sunt utilizate pentru

protejarea aliajelor de mediile cu temperaturi ridicate.Studiile teoretice si experimentale evidentiaza

reducea temperaturi de lucru cu pana la 170 °C pe suprafata metalului de baza fata de suprafata

protejata cu pulberi ceramice.Acest lucru permite functionarea ansamblelor si subansamblelor o

perioadă mai mare de timp în condiţii de temperatură ridicată şi prelungeşte durata de viata de chiar

trei sau de patru ori, reducând în acelaşi timp consumul de combustibil. [1]

Protejarea impotriva oxidarii este asigurata prin formarea unui strat compact, stabil si

aderent de oxid (Al2O3) care actioneaza ca o bariera intre metalul substratului si mediul fierbinte.

Un tip de acrosaj des utilizat in ultimii ani este MeCrAlY (Me=Ni sau NiCo).

http://www.imnr.ro/grazir



7

În majoritatea aplicaţiilor stratul de acrosaj este obtinut din MeCrAlY (Me=Ni sau NiCo). Este

necesar ca stratul de acrosaj să fie dens pentru a asigura protecţie substratului, in raport cu

coroziunea la cald şi oxidarea. Stratului de TGO se formează, de regula, prin oxidarea aluminiului

conţinut in stratul de acrosaj. Datorita formarii acestui strat apar tensiuni la interfata strat

ceramic/strat de acrosaj. Calitatea adeziunii TBC de substrat este considerata ca fiind unul din

factorii ce limiteaza folosirea acestor materialor ceramice pe baza de zirconie.

Ambele metode de depunere prezinta avantajul ca pot fi depuse si pe materiale care nu sunt

compatibile cu procesul de sudura si mai mult prin aceste procese de depunere pot fi acoperite piese

de cu geometrie neregulata si dimensiuni mici.

Principiul pe care se bazeaza metoda de depunere HVAF este similar cu cel utilizat de către

sistemul HVOF (prezentat in etapa anterioara), deosebirea fiind ca oxigenul a fost inlocuit cu aer

comprimat. Material care urmeaza a fi depus poate fi atat sub forma de pulbere cat si sub forma de

sirmă.

Tabel 5.1 Tipul de pulbere utilizat pentru stratul de acrosaj

Tip pulbere Denumire

comercială

Proprietăţi

tipice şi aplicaţii

Ni23Co20Cr 2,5Al4Ta0.6 Y AMDRY

997

Rezistenta la coroziune la cald si oxidare.

Folosit pentru straturile de legatura

Metalizarea in jet de plasma este un proces de acoperire a unei piese cu un strat metalic sau

ceramic prin topirea pulberilor in jetul de plasma. Jetul de plasma se obtine din hidrogen si argon,

are o temperatura de maxim 32.000 0C, si o viteza de maxim 1.200 m/s. Materialul de adaos sub

forma de pulbere se injecteaza in jetul fierbinte care il topeste si il proiecteaza pe piesa cu o viteza

de circa 300 m/s. Se obtine un strat cu o grosime de 0,5 ÷ 1 mm si o porozitate de 3 ÷ 5 %.

Calitatiile stratului (duritate, rezistenta la coroziune, aderenta etc.) depind de natura materialului

folosit. Prin acest procedeu se pot depune peste 100 tipuri de materiale feroase, neferoase,

ceramice, cermeti, abradabile, compozite sau aliaje. In timpul metalizarii piesa nu depaseste

temperatura de 80 ÷ 100 0C.

Alegerea procedeului de metalizare in jet de plasmă pentru depunerea straturilor ceramice de

protecţie este argumentată de următoarele motive tehnice:

- necesitatea realizării unor temperaturi foarte ridicate pentru fuziunea oxizilor ceramici sau a

carburilor metalice (2500°÷3000°C);

- deoarece temperatura plasmei este de circa 16000°C pentru fuziunea materialelor de

acoperire, pistolul de metalizare se ţine la o distantă de 60÷200 mm de suprafaţa ce va fi

metalizată;

- argonul, gazul inert utilizat, constituie un mediu protector care limitează formarea oxizilor;



8

- se realizează o aderenţă optimă a stratului ceramic precum şi fuziunea completă la

temperaturi scăzute a piesei (până la 150 ÷200°C) fără modificarea geometrică şi a structurii

materialului;

- aderenţa optimă este şi o consecinţă a vitezei de 500÷600 m/s a jetului de plasmă.

Legatura structurală formată între stratul ceramic şi suportul metalic, în cazul metalizării in

jet de plasmă, permite obţinerea unor depuneri aderente, cu structură densă şi netedă cu grosime

cuprinsă între 0,2 ÷ 2,3 mm, funcţie de locul de aplicare.

5.2 Parametrii tehnologici asociati realizarii straturilor ceramic cu pulberi nanometrice pe

Legatura structurală formată între stratul ceramic şi suportul metalic, în cazul metalizării cu

plasmă, permite obţinerea unor depuneri aderente, cu structură densă şi netedă cu grosime cuprinsă

între 0,2 ÷3 mm, funcţie de tipul aplicatiei. Compoziţia straturilor ceramice exterioare actuale este

limitată de instabilitatea termica la temperaturi extreme cu efect in fragmentarea stratului datorită

eroziunii la temperaturi ridicate.

Suportul metalic este NIMONIC 90 cu proprietatile:

- densitate – ρg/cm3

- punct de fuziune – 1310 °C

- rezistivitate electrica la 20°C- 118 μΩcm

Tipul de material ce a fost depus este pulberea compozita nanostructurata, AZY25, obtinuta la

Institutul National de Cercetare - Dezvoltare pentru Metale Neferoase si Rare – IMNR.

Compozitia chimica este urmatoarea:

75% ZrO2 stabilizat cu 4%mol Y2O3 + 25% Al2O3

Ca strat de acrosaj materialul NiCoCrAlY recunoscut pentru proprietăţile bune de aderenţă,

rezistenţă la coroziune şi temperatură (900°C÷1000° C).

Testarea la soc termic moderat si rapid a probelor elaborate,ierarhizarea acestora in raport cu comportarea la soc termic

Piesele calde ale turbomotoarelor, camera de ardere,pale compresor, voleti, eclise,etc. sunt

supuse in timpul functionarii unui complex de factori de uzura, eroziune cu particule pirolizate la

viteze de peste 3 Mach,coroziune,adeziune,soc termic care actioneaza simultan la parametrii ridicati.

Din ansamblul de factori de uzura care actioneaza simultan, socul termic actioneaza cel mai

perturbator. In cazul pieselor calde ale turbomotoarelor , temperatura acestora variaza in functie de

conditiile de operare la decolare, aterizare, viteza de croaziera,ratare aterizare,oprire motor in

timpul zborului,etc. Trecerea succesiva de la un mod de operare la altul, duce la schimbari cuprinse

intre 5-20% ,in ceea ce priveste parametrii termici.

Variatia de temperatura produce tensiuni ridicate in materialele pieselor si pot duce in final la

deformarea plastica a acestora, la exfoliera straturilor de protectie, la deteriorarea componentelor

subansamblurilor si ansamblurilor.



9

In cazul camerei de ardere a turbo motoarelor, utilizazrea sistemelor de protectie este absolut

necesara in vederea functionarii acestora in conditii extreme.

Similaritatea dintre test si conditiile de exploatare pentru materialele mono si multistrat devine

o conditie esentiala pentru evaluarea cit mai exact posibila a comportarii acestora in conditii

extreme.

Testarea epruvetelor depuse cu diferite materiale este mai complexa decit a materialelor

monostrat clasice deoarece sunt implicate nu numai proprietatile combinate ale depunerilor dar si

ale substratului, suportului metalic si tensiunile interne rezultate din diferentele dintre proprietatile

fizice ale materialelor implicate.

In vederea ierarhizarii din punct de vedere al comportarii la soc termic a materialelor mono si

multistrat INCAS a conceput si realizat doua instalatii de testare la soc termic, QTS 1 si QTS 2.

Socul termic consta din incalzirea unei epruvete de la temperatura mediului ambiant de citeva

zeci de grade la temperaturi de sute de grade intr-un interval de timp precum si racirea acestora de

la temperaturi ridicate la temperaturi scazute.

In functie de vitezele de racire ,incalzire realizate socul termic poate fi definit ca soc lent,mediu

si rapid.

Testul de soc termic isi propune sa evidentieze modificarile microsctucturale ale epruvetelor

testate, scaderea rezistentei mecanice a stratului depus precum si numarul de socuri termice la care

epruveta rezista fara a se produce deteriorari, respectiv fisuri sau exfolieri.

Trebuie mentionat faptul ca nu exista o metoda si o instalatie standardizate pentru teste de soc

termic a materialelor mono si multistrat.

In vederea testarii epruveta este montata intr-un suport cu care este deplasata de la

temperatura mediului din exteriorul cuptorului, in interiorul unui cuptor vertical unde este mentinuta

un interval de timp stabilit,apoi este deplasata in exteriorul cuptorului si racita cu aer

comprimat.Temperatura epruvetei in interiorul cuptorului si in zona de racire se face cu doua

pirometre tip Raytek. Achizitia de date se efectueaza cu soft specializat Raytek.Epruveta poate fi

vizualizata in exteriorul cuptorului cu o camera de termoviziune.

Epruveta scoasa din cuptor inainte de racire ,instalatie QTS1



10

Incalzirea cuptorului, deplasarea epruvetei in si din cuptor,in zona de racire este controlata de la un

panou de comanda. Parametrii masurati sunt: temperatura mediului ambiant, temperatura

cuptorului, temperatura pe suprafata epruvetei la incalzire si racire,presiunea si temperatura aerului

de racire.

a)

b)

c)

Epruveta N98

a) inainte de soc termic; b) soc termic la 900oC; c) soc termic la 1000oC

0 100 200 300 400 500 6000

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

tem p era tu ra m ed ie tem p era tu ra ra cire tem p era tu ra inca lz ire

Tem

pera

tura

(o C)

T im p (s)

Imaginile de compozitie a sistemului de protectie NiCrAlY/ZrO2Y2O3Al2O3 inainte de

testarea la soc termic. Se observa o uniformitate a grosimii stratului. De asemeni, se observa o

porozitate relativ scazuta. Grosimea stratului ceramic este intre 46.5 –55 µm. Grosimea stratului de

acrosaj este 17 - 21.6 µm. La interfata acrosaj/metal de baza dar si acrosaj/strat ceramic se

observa existenta unor fisuri orizontale.



11

Imagine de compozitie a sistemului de protectie NiCrAlY/ZrO2Y2O3Al2O3inainte de testul de soc

termic (x354)

Imagine de compozitie a sistemului de protectie NiCrAlY/ZrO2Y2O3Al2O3 la T = 900ºC (x354)

Execuţia si PIF stand camera de ardere de temperatura înalta

Amenajarea de stand se prezintă mai jos in care este evidenţiata camera de ardere experimentata .

Double thermocouple Kradiation protected

(back and front view)

Flame tube zirconia coated

IgniterUltrasonic gas flow meter 0.5%

Natural gas compression station

Fine air controlvalve

Monitoring,control and

measurements

Fine gas control valve

Dn100Pn121200C



12

Date experimentatele sunt prezentate in figurile de mai jos.

Temperaturi de funcţionare

Debitele de aer si excesele de aer in timpul testelor

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1 1001 2001 3001 4001Seconds

Air m

ass

flow

[Kg/

s]

0

10

20

30

40

50

60

70

Air e

xces

(A/C

*Lo)

Air mass flow

Air exces

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 141 281 421 561 701 841 981 1121 1261 1401 1541 1681 1821 1961 2101 2241 2381 2521 2661 2801 2941 3081 3221 3361 3501 3641

Seconds

Tem

pera

ture

[C]



13

CONCLUZII

In aceasta etapa a fost elaborat un prim model funcţional de materiale cu rol de bariera

termica utilizând pulberi nanostructurate din sistemul ZrO2 - Y2O3 - Al2O3 sintetizate hidrotermal

printr-o tehonolgie optimizată. Modelul funcţional opţinut prin depunere în plasmă prin metoda APS

pe substrat Nimonic 90 a fost testat din punct de vedere al rezistenţei la şoc termic ridicat şi

moderat printr-o metodologie specifică aplicaţiilor în domeniul aeornautic. Rezultatele măsuratorilor

au fost corelate cu modificările induse asupra microstructurii.

Au fost depuse 2 straturi: de acrosaj si strat ceramic

S-au investigat epruvete cu strat de protectie NiCrAlY/ZrO2Y2O3Al2O3 (pulbere nano) atat

inainte de testul de soc termic cat si dupa testul de soc termic la temperaturi de 900ºC si

1000ºC.

In cazul straturilor ceramice post-depunere - stratul de acrosaj prezinta in general o aderenta

buna cu materialul de baza datorita similitudinii compozitionale.

Formarea stratului de oxid la interfata stratului de acrosaj/ strat ceramic se datoreaza migrarii

elementelor reactive din stratul de legatura si oxidarea acestora prin reactii chimice la

temperaturi ridicate. Formarea acestor oxizi, in special a Al2O3, poate fi cauza fisurilor de la

interfata acrosaj/ceramic datorita tensiunilor induse prin transformarea aluminei γ in alumina α.

Temperatura maxima la care s-au realizat testele nu a depasit temperatura de 1100°C. Pentru

epruvetele depuse cu pulbere nano NiCrAlY/ZrO2Y2O3Al2O3 stratul ceramic se deterioreaza in

majoritatea zonelor, stratul de acrosaj ramanand inca aderent. In zone izolate exista posibilitatea

desprinderii stratului de acrosaj datorita fisurilor reticulare si a porozitatii. Rezistenta la soc

termic poate fi periclitata de existenta fisurilor si a microgolurilor formate.

Depunerile de pulberi nano pe epruvetele incercate la soc termic moderat din pulberi ZrO2-

Y2O3-Al2O3 optimizate s-au comportat bine la soc termic la 1100°C ( 29 cicluri)

In general toate depunerile au rezistat la testul de soc termic la 900°C si 1000°C. Diferentierea

s-a facut la temperatura de 1100°C, unde au reistat un numar diferit de cicluri cuprins intre 13 si

25, ceea ce rpezintă un rezultat promiţător. Pulberile optimizate au asigurat o rezisenţă la şoc

termic mai bună şi constantă.

Experimentările efectuate pe materialul nanostructurat depus in acesta faza pe instalaţia

experimentală de co-generare energetică au fost făcute la parametri înalţi, constatându-se o

comportare buna a camerei de ardere.

Parametrii atinşi si comportarea camerei de ardere încercata justifica pe deplin continuarea

programului cu aplicaţii in domeniul turbomotoarelor.



14

În scopul eliminării problemelor constatate la interfaţă datorită prezenţei Al2O3 se vor efectua

teste în continuare pe nanostructuri din sistemul Ba-Zr-Y-O având în vedere asemănarea

morfologică dintre BaZrO3 şi ZrO2 precum şi tendinţele pe plan mondial privind materialel cu

gradient funcţional pentru astfel de aplicaţii.

Au fost realizaţi indicatorii propuşi pentru activităţile de diseminare. De asemenea începînd

din decembrie 2010 IMNR participă în cadrul consorţiului FP7 – proiect integrat NMP -228814-2

„Supersonic deposition of nanostructured surfaces”, unde va utiliza expertiza în domeniul

caracterizării termice a nanostructurilor. Mai jos este prezentat schematic planul propus pentru

implementarea rezultatelor proiectului, etapa finală urmând a fi focalizată spre demonstrarea

funcţionalităţii materialelor nanostructurate elaborate şi adaptarea tehnollgiilor optime pentru

depunerea lor ca strat de barieră termică ultra-performantă.

Sinteza hidrotermala

Tehnologie depunere

Pulbere nanostructurata

Caracterizare chimica si structurala

Caracterizare termo-mcanica si functionala

Verificare model functional energetica- zona “fierbinte” din sistem de co-generare

IMNR: Elaborare nanopulberi cu aplicaţii speciale în noua instalaţie de sinteză la presiuni şi temperaturi ridicate (898-High PT MET) în curs de realizare prin proiectul de fonduri structurale – infrastructura de cercetare

INCAS, COMOTI: Verificare în aplicaţii avansate în energetică şi aeronautică

PlasmaJet srl Modernizarea tehnologiei de depunere

Participare proiecte FP7, FP8 Proiecte aplicative pentru domeniul energetic



15

FISA DE PREZENTARE A STADIULUI DE REALIZARE A PROIECTULUI Nr. contract: 72-179 Titlu: Materiale cu gradient compozitional pe baza de zirconie micro si nanostructurata pentru structuri termo- rezistente cu aplicatii in industria energetica si aerospatiala”

Coordonator: Institutul National de CD pentru Metale Neferoase si Rare-INCDMNR Director proiect: Dr. ing. Radu Robert Piticescu Parteneri în consorţiu:

- P1: Institutul National de Cercetari Aerospatiale „Elie Carafoli” INCAS - P2: Universitatea POLITEHNICA Bucuresti, Centrul BIOMAT - P3: Institutul National de CD Turbomotare COMOTI - P4: S.C. PLASMAJEt srl

Buget/cofinantare: 2.000.000/258.668 lei Adresa web: www.imnr.ro/grazir

Obiectivul/rezultatul final al proiectului: Creşterea competitivităţii CD prin stimularea unui

parteneriat sinergic în domeniul prioritar al materialelor avansate nanostructurate cu gradient

functional, concretizat în obţinerea de noi materiale şi tehnologii cu înaltă valoare adăugată,

destinate utilizării în aplicaţii ţintă de înaltă tehnicitate - acoperiri rezistente la şoc termo-mecanic /

Model funcţional – acoperiri din materiale cu gradient funcţional cu structură mico şi nanostructurată

pentru aviaţie şi energetică

Elementele de noutate ale proiectului, originalitate:

- Pe plan internaţional: utilizarea metodei hidrotermale pentru sinteza de pulberi

nanostructurate cu structură miez/înveliş şi adaptarea metodelor de depunere a lor prin

procese în plasmă

- Pe plan naţional: model funcţional cu caracteristici prestabilte de rezistenţă la ţoc termic

Beneficiarii rezultatelor, potentialul de aplicare in economie:

- Direct: S.C. PlasmaJet srl (ultizatorul pulberilor pentru acoperiri termice);

- Potenţiali: Firmele din domeniul industriei de aviaţie şi energetică beneficiare ale

produselor acoperite de S.C. PlasmaJet SRL

Stadiile de realizare (etape conform planului de realizare cu mentionarea clara a precursorilor indicatorilor de rezultat cf. HG475/2007):

Etapa Buget Precursori*/rezultate intermediare

1. Evaluarea proprietatilor functionale ale protectiilor micronice si nano-structurate in raport cu cele conventionale,

104716

Cofinan-ţare 28.084

Achiziţii realizate Licenta soft: Microsoft Project Biblioteca de spectre

Studiu privind obtinerea materialelor cu gradient functional pe baza de pulberi micro si nanostructurate Model conceptual al sistemuli de cogenerare energetica utilizand materiale nanostructurate cu gradient functional

http://www.imnr.ro/grazir



16

pregatirea logistica si tehnica necesara realizarii proiectului

pentru FT-IR (partea 1)

Model experimental de laborator –pulberi nanostructurate din sistemul ZrO2-Y2O3-Al2O3 Model experimental de laborator – epruvete cu gradient functional cu rol de bariera termica, constand din pulberi nanostructurate din sistemul ZrO2-Y2O3-Al2O3 Rapoarte de incercare si caracterizari (chimice, difractei RX, DSC, microscopie electronica-SEM, TEM, HREM) Model conceptual pentru caracterizarea rezistentei la soc termic a materialelor cu gradient functional

2. Sinteza hidrotermala a pulberilor cu structura miez/invelis pe baza de ZrO2, obtinerea epruvetelor multistrat micronice si nanostruc-turate, investigatii associate.

64.085 17.207 Biblioteca de spectre pentru FT-IR (partea 2)

Model conceptual asupra solicitărilor termice ale materialelor cu gradient functional din sistemul ZrO2-Y2O3-Al2O3 in instalaţia experimentala existenta de co-generare

3. Studiul dinamicii modificarilor micro si

352281 62.761 Model experimental –pulberi nanostructurate din sistemul ZrO2-Y2O3-Al2O3 lot de test



17

nanostructurate induse de socul termic cu gradient moderat si rapid

Model experimental de laborator – epruvete cu gradient functional cu rol de bariera termica, obţinute din pulberi nanostructurate din sistemul ZrO2-Y2O3-Al2O3

Metodologie de testare la soc termic rapid şi moderat

0 50 100 150 200 250 300 350 4000

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

temperatura medie temperatura racire temperatura incalzire

Tem

pera

tura

(o C)

Timp (s)

Model funcţional: camera de ardere a cogeneratorului acoperita cu pulberi nanostructurate



18

* - documentatii, lucrari, planuri, scheme, procedee, metode, retete, formule, solutie/model

conceptual, studii, obiecte fizice (in unele cazuri pot fi considerate si rezultate finale), - model conceptual, model de laborator, model experimental, instalatie pilot, model functional (in unele cazuri pot fi considerate si rezultate finale), - cerere inregistrare brevet, cerere inregistrare modele si desene industriale, cerere inregistrare: retete, indicatii geografice, specii vegetale si animale, documentatie tehnico-economica pentru brevetare (in unele cazuri pot fi considerate si rezultate finale).

Participare tineri cercetatori (inclusiv specializari/stagii de formare/doctorate post-doc pe tematica proiectului): Total=10 Doctoranzi: 3 Diseminari: Publicatii ISI: 1 R.R. Piticescu, A. M. Motoc, D. Bojin, V. Manoliu, “Hydrothermal synthesis of nanostructured powders from the system ZrO2-Y2O3-Al2O3 for thermal barrier coatings applications”, Aknowledgement of receipt 14251B, Zeitschrift fur Materialkunde serie B” Publicatii in fluxul principal: 2

- A.M. Motoc, R.M. Piticescu, R.R. Piticescu, “Synthesis of Nanostructured ZrO2 Based Materials for Applications as Thermal Barrier Coatings”, Functional Nanomaterials 4, ISSN 2066- 8023, pg.32-39.

- V. Manoliu, A. Stefan, S. Ilina, C. Valcu, „INCAS Quick Thermal Test Shock Installation-QTS1”, INCAS Bulletin No. 2/1009, pg.116-121.

Participari la conferinte si workshopuri: 3 - Conferinţa internaţională AEROSPATIAL 2010, organizată de INCAS în perioada 20-21 octombrie 2010, titlul prezentării orale: “New chemical synthesis of ZrO2-Y2O3-Al2O3 nanomaterials and characterisation method for thermal barrier coatings”, autori R.R.Piticescu, A.M.Motoc, V. Manoliu, D. Bojin;I. Trusca - Conferinta “NanoIsrael 2010” – participare la brokeraj pregatire proiecte EUREKA si FP7

organizat al sediul Ministerului Economiei din Israel - MATIMOP; - Workhop romano-german (co-organizatori IMNR şi Netzsch, Pantelimon, 22.04.2010): 1

comunicare orală cu titlul “Grain Growth modelling of nanostructured Powders”, autor R.R.Piticescu

faza 3: studiul dinamicii modificarilor micro si ...imnr.ro/grazir/doc/rezumat public f3.pdf · ion...

Documents