IV. Seramik Kongresi /IV. Ceramic Congress, Eski~ehir, Tiirkiye, Eyliil /September 1998

PLAZMA KAPLAMADA POROSITEYE E T K ~ EDEN FAKTORLERIN TAGUCHI YONTEMI ILE BELIRLENMESI ve

KAPLAMA OZELLIKLERININ INCELENMES~

Remzi GURLER*, Dilek PARACIK**, A. Sermet ANAGUN*** ve Meriq ALPERA*

*Osmangazi Universitesi, Metalurji Enstitusu, Eski~ehir, Turkiye ** 1. Hava 1kmal Bakim Merkezi, Eski~ehir, Turkiye

* * * Osmangazi Universitesi, Endiistri Muhendisligi Boliimii, EskiSehir, Turkiye

Zirkonya-magnezya kaplamaya etki etmesi beklenen faktorler mesafe, guq, gaz a k i ~ orani,toz besleme orani ve kaplanacak malzemenin yuzey sicakligl olarak belirlendi. Faktorlerin porositeye etkileri iki seviyeli, kesirli faktoriyel Taguchi deney tasarimi ile belirlendi. Kobalt esasli L605 ala~imindan hazlrlanmi~ kuponlar uzerine once Ni-AI baglayicl kaplama gerqekle~tirildi. Daha sonra onalti degi9ik kaplama ~artinda Zr02-%24 MgO seramik toz plasmayla kaplandi. Seramik kaplamalarin porositeleri optik mikroskopta Leco L2001 goriintu analizoriinde olquldu. Olqulen porosite degerleri ANOVA program1 ile degerlendirildi. Mesafe porositeyi etkileyen en onemli faktor olarak belirlenirken ikili etkile~imlerin etkilerinin kayda deger olmadigi belirlendi.

Five factors were identified as potentially affecting the porosity of the zirconia-magnesia coat: spray distance, power input, gas flow rate, powder feed rate and surface temperature of the substrate. Effects of these factors were estimated using a sixteen run fractional factorial designed experiment with two levels for each factor and thus the coating experiment was carried out under sixteen different spraylng conditions. Test panels were cobalt based alloy L 605 and they were coated by air plasma sprayed Ni-Al bond coat followed by 24 wt. % MgO-Zr02 top coat. Porosity of the zirconia-magnesia top coat of each sample was measured using a optical microscope and its Leco L2001 image analysis system. Obtained experimental data were analysed by ANOVA statistical software package . The spray distance was found the most influential parameter on the porosity .

Plasma sprey kaplama endustriyel, disel, uqak ve uzay araqlarinda kismen kararli hale getirilmi~ zirkonya kaplamalarinin uygulanmasinda yaygin ~ekilde kullanilmaktadir [ 1-41. Zirkonya esasll termal kaplamalarln ozellikleri ve mikroyapis~ zirkonya toz boyutu ve kararli hale getirici elementin (Ca, Y veya Mg) yanlslra, sprey mesafesi, guq, gaz a k i ~ orant. toz besleme orani ve kaplanacak malzemenin yuzey slcakliglna baglidir [ I ]

Bu kaplamalarln ozellikleri ve mikroyapisi pek ~ o k faktor tarafindan direkt olarak veya faktorlerin etkile~imleri sonucu etkilendiginden. gel i~rni~ ozellikleri olan kaplamalari

uretebilmek iqin bu faktorlerin zirkonya kaplamalara olan etkilerini birarada gorebilmek amacl ile istatistiksel olarak tasarlanmi~ deneylerin yapilmasi faydal~ olmaktadir [5-61. Pek qok kontrol edilebilir faktorlerin bulundugu bu tur durumlarda Taguchi yonteminin uygulanmasi son derece uygun olmaktad~r [5-81. Tam faktoriyel deney tasar~mi veya kesirli faktoriyel deney tasarimi uygulanmi~ kaplama i~lemleri qogunlukla iki veya daha fazla seviyelerde uygulanmaktadir. Tam faktoriyel deney tasariminda faktor seviyelerinin mumkun olan tum kombinasyonlarinda deney gerqekle~tirilirken, kesirli faktoriyel deney tasariminda ise mumkun olan butun kombinasyonlarda deneyler yapilmaktadlr. Faktor seviye kombinasyonlarinin dikkatlice seqimi ile sadece belirli say~da deney yaparak neticede oldukqa detayli bilgi elde edilebilmektedir. Boylece, konuyla ilgili detayli bilgiyi az sayida deney yaparak elde etme yolu bulunmu~ olmaktadir [7-81.

Bu qali~mada, 1st engelleyici kaplamalarin onemli ozelliklerinden olan porosite seqilmi~tir. Yuksek porosite miktari is11 iletkenligi azaltlrken, yalitimi arttirmakta ve termal ~oklarda qatlak ilerlemesini sinirlamaktadir. Dii~uk porosite miktari ise korozyonu azaltirken, sertligi ve mukavemeti arttirmaktadir [ 1-21.

2. DENEYSEL METODLAR

2.1 Taguchi Metodu

Bu qalqmada porositeyi etkiledigi bilinen be? faktor dikkate alinmi~tir. Bunlar: Mesafe, guq, gaz a k i ~ hizi, toz besleme oran1 ve numunenin yuzey sicakllgidtr. Ana faktorlerin alt ve ust seviyeleri Cizelge 1 'de verilmi~tir. Cizelge 1 'deki 1 notasyonu faktorlerin du~iik, 2 notasyonu ise yuksek seviyesini gostermektedir. Be? parametre iqin tam faktoriyel deney tasarimi seqilmesi halinde 32 degiqik Sartta deney yap~lmasi gerekmektedir. Bu deneylerde kontrol edilemeyen degi~kenlerin etkisini azaltmak iqin her deney iki kez tekrarlanacak ve toplam 64 numune hazirlanacaktlr. Zaman malzeme ve i~qiligi en aza indirmek iqin Taguchi yontemi ile 25 faktoriyele en uygun olan ve Cizelge 2'de verilen L16 ortagonal duzen seqilmiv ve onalt~ farkli Sartta deneyler yapilmi$ir. Ana faktor ve etkile~imleri ilgili dogrusal grafik kullanilarak kolonlara atandiktan sonra, deneyler tamamen rassal olarak gerqekle~tirilmi~tir:

Cizelge 1. Deneyde kullanllan ana faktorler ve seviyeleri.

Faktor AJt Seviye Ust Seviye A: Toz besleme orani (kgls) 26.1 0" 40.10" B: Arnper 450 550 C: Mesafe (inch) 4 7 D: Yuzey sicakligi (OC) 50 150 E: Gaz a k i ~ orani 70110 90120

2.2 Deneysel Cali~malar

Kobalt esasli L 605 ala~imindan iiretilmi~ 25,4 x 25,4 x 1,524 . lom3 m boyutlarindaki test kuponlari kaplama yapilmadan once yuzey puriizlugunu arttirmak, yuzeydeki oksitleri ve kallntilari temizlemek amacl ile kumlama i~lemine tabi tutulmu~tur. Daha sonra 3M plasma kaplama tabancasi kullanilarak numune yuzeyleri 0,10 16-0,1524.1 o - ~ m

kalinflglndaki Ni-AI baglaylci kaplama ile kaplanmi~tlr. Bu kaplama iizerine 0,2032- 0.30?~.10" rn kal!nl@nda Zr02 - %24Mg0 serarnik kaplamasl atilrnt$gr. Seramik kaplarna, Cizelge 2'de g~sterilen onaltl farklt plazma kapiarna ~ a r t ~ n d a gerqekle~tirilmi~tir. Kontroi editerneyen faktiirlerin etkilerini azaltmak amacl ile her bir $art altinda iki nurnune kapianrniqtir. Kaplanmq nurnuneler daha sonra unce zimparalanml~ ve bunu takiben parlat~lmr~lard~r, Parlatma i~lemi 6, 1 ve 0,4 pm inceligindeki elmas pastalar kutlanrlarak her bir kadernede on dakika sijrecek ~eki lde tarnarnlannll~tlr 191. Parlatilrnq numunelerin kesitleri 200 boylitmede Olyrnpus P3 i$-ik

rnikroskobu ve ~iyurnlu Leco L100 1 guriintit analizdni kullanrlarak taranmq ve porosite ylizdeleri qikar~lmqt~r. Her bir nurnuneden alqiilen porosite yiizdeleri, faktijrlerin alt ve iist seviyeleri ile birlikte ANOVA istatistiksel paket program1 kullanllarak analiz edifmi~, ana faktiirler ile ikili etkile~imlerin porositeye etkileri belirlenmiqtir.

Cizeige 2. Deneyde kullan~lan kesirli faktariyel Taguchi Llh tasartrn matrisi

dit;tl~en porosite degerleri Cizelge 3'de verilmi~tir. ANOVA program serbestlik derecesini 17 olarak hesaplarnig ve % 1 ardarn diizeyine kargt gelen F tablosundan ilgiIi deger Fo.oi: 1-27 = 7,6& olarak elde edilmi~tir. Bijyiece F deijeri 7,63' in iizerinde olan faktcirler porositeye etki eden kri tik faktijr veiveya etkile~irnleri belirlenebilmektedir. . h a faktarlerden mesafe (C) ve gas a k i ~ oranl(E); 39.36 ve 25,20 olan F degerleri ile porosite iizerinde en etkili faktiirler olarak belirlenmi~tir. Diger ana faktur olan amper (B) ise 7,78 F degeri ile porositeye etkisi az olarl uqiincii faktijr olarak elde edilmi~tir. A ve D ana

faktorleri ile ikili etkile~irnlerin. ise porositeye etkilerinin kayda deger olmadigl goriilmu~tur.

Cizelge 3. Her bir numuneden olgulen porosite degerleri

Numune No. Porosite (%) Numune No. Porosite (%) 1 5.92 - 6.18 9 5.10 - 5.69

Ana faktorler ve bunlarin ikili etkile~imlerinin porositeye etkileri grafiksel olarak $ekil l 'de gosterilmektedir. Goriildugu gibi numune-sprey tabanca mesafesi (C) en etkili faktordur. Mesafenin kisa oldugu durumda (Cl) porosite % 5'1 olurken, mesafenin uzun oldurn durumda (C2) ise % 6,6 olmaktadir. Mesafenin kisa olmasi ergimi~ seramik par~aciklarin katila$madan test kuponlarinin yuzeyine yapiSmasin1 kolayla~tirmakta ve sonuqta porosite d u ~ u k olmaktadir.

Gaz ski? orani (E) dogrularina bakildiginda ise gas akiv hlzi arttikga porositenin du?tugu gozlenmektedir. Bu sonu$, gaz a k i ~ hizinin artmasl ile birlikte seramik tozlarin buyuk qogunlugunun plasmanin en sicak bolgesinden ge~tigini gostermektedir. Uquncu ana faktor amperin artmasi (B2) ise, parqaciklarin ergimesine yardimcl oldugundan ergimi~ par~aciklarin test kuponuna yapiqmasi kolayla~maktadir. Diger ana faktorler olan toz besleme oraninin ve test kuponu yuzey sicakllginin porositeye etkisi oldukqa d u ~ u k seviyelerdedir.

Ikili faktor etkile~imlerinin porositeye etkileri o lduk~a d u ~ u k seviyelerdedir. Toz besleme oran1 ve amper arasindaki etkile~ime bakildlginda, alt ve ust seviyelere ili~kin (B 1 ve B2) dogrulari A faktoriindeki seviye degi~imine kary duyarsiz kaldigindan (ortalama etkileri gosterir dogrular paralel oldugundan) A ve B faktorleri arasinda bir etkile~im soz konusu degildir. Ancak amper faktoriinun kendisi porositeyi etkilediginden her iki faktoriin ust seviyelerine (A2-B2) kar?~ gelen porosite daha dii~iik olmaktadir.

Amper ile mesafe etkile~imi incelendiginde C faktoriinun alt ve ust seviyelerine ili~kin C 1 ve C2) olarak qizilen dogrularda bir kesi~im goriilmemektedir. Bu durumda, toz besleme oran1 ve mesafe arasinda bir etkile~im olrnadlgl sonucuna varilmaktadir. B'nin etkisi qok az olmakla birlikte, C'nin kendisinin onemli bir faktor olmasl nedeni ile en d u ~ u k porosite, amper ve mesafenin alt seviyelerinde (B 1 -C 1 ) elde edilmektedir.

Porosite uzerinde birinci ve ikinci dereceden onemli etkiye sahip mesafe ve gaz akq orani etkile~imine bak~ldlginda, herhangi bir etkile~im olmadigl aqtkqa goriilmektedir. Bununla birlikte. her iki faktor tek ba~lar~na porosite iizerinde qok etkin olduklarlndan, mesafenin az ve gaz ski$ oranlnln yuksek oldugu durumda (Cl-E2), porosite %Sin altlna dii~mektedir.

P' '. ~

Gtt; E Etkitesimi

E r ; W

? - a EGO

I -- m ,-,

I -42 LO

2 6 Q [L

J

rfl 1 t

4 7

C

Sekil 1 . Ana fakterlerin ve baa ikili etkile~irnlerin porositeye etkiieri

-73 1-

Porositeyi ikinci ve itl;[incii derecede etkileyen amper-gaz akq hrzt arasinda doijmlann paralel olnlasl nedeni ile i~erhangi bir etkile~irn yoktur. Daha yijksek amperde ve daha yiiksek gaz akq hlzlnda porositenin dij~i ik otmasl, bu dogrular yardilnt ile de do~nt lanrn i~ ve porosite, arnper ve gaz a k q h1z1 faktiirlerinin iist seviyelerit~de (32-E2) oimasl dururnunda en kiiqiik degerinde elde edilmi~tir.

Yap~lan deneyler porosite lizerinde en etkin fakturiin mesafe oldugunu gtistermi3tir. Fakturlerin dikkate allnag araitklardaki ikili etkileqirnlerinin porositeye kayda deijer bir etkisi yoktur. Parositenin en d i i~ i j k degeri, arnper ile g u akq oranrn yiiksek ve mesafenin dii5iik oldugu ~artlarda eldr edilmi~tir.

I P. Boet~. P. Frtuchais. D. Lornh;~rd, B. Rogeilux and M. Vardclle. Adv~tnces in Ceramics Vol. 12, Science at~d Technology o f Zirconizi 11, Am. Ceramic Soc., ( 1985). 42% 8.

2 D. S. Suhr, T.E. Mitchell and R. J. Kclltr. Adv:lnccs in Ceramics Vol. 12, Scicnce and TecI~noIogy of Zirconia Ii, Am. Ceramic Soc. (1 983), 503.

3 hi1.H. Van De Vctorde. M.G. Hocking and V. Vastlntasrcc, High Temperature Matcriuls and Processes, V01. 7. Nos 28r.3. ( 1986). 107.

3 P. D. H;lrnmsworth and R. Stevcns. J. Materials Science 27 (1 992). h 1.6. 5 S.L. Van Doren, in "ASM Secc3nd Internation31 Conference on Thermal Spray".

Papcr 20 ( 1983). 1 13. 6 J.E. Ncrz. B.A. Kushncrand A.J. Rottdico. "ASM Thermal Spray Rcscarch and

Applicittions Ct~nfrrct~ce' ', 15)90), 669. 7 J.P. Ross, Taguchi Techniques for Quality Engineering, McCraw Hill, 1988. 8 R.H. Lochner and J.E. Matar. Designing for Quality, Quality Resources 2nd ASQC

Qutll i ty Prcss, 1990. 9 M. Riickert, J. Wigrcn and J. Svantesson, Pract.. Met.. 28 ( 199 1) 227.