Derin Okuma — TBC Kaplama

Erime noktasının üstünde dönen kanat

Bir turbofan motorun yüksek basınç türbinine bak. İçeriye giren hava, kompresörden geçerken sıkışıp ısınır. Yanma odasında yakıtla buluştuğunda sıcaklık 1.500 santigrat dereceyi aşar. Türbin kanatları tam bu cehennemin içinde, dakikada on binlerce devirle döner.

Sorun şu. Kanatların çoğu nikel süper alaşımdan yapılır. Nikel esaslı alaşımların ergime sıcaklığı kabaca 1.300-1.400 santigrat derece bandındadır. Yani kanat, kendi erime noktasının üstünde bir gaz akışına maruz kalır. Metal, fiziksel olarak erimesi gereken bir ortamda saatlerce çalışır.

Peki kanat neden erimiyor? İki savunma hattı var. Birincisi kanadın içinden geçen soğutma havası. İkincisi, kanadın dış yüzeyini kaplayan birkaç yüz mikronluk seramik tabaka. Yazı ikinci hattı, yani TBC kaplamayı açıyor.

Termal bariyer kaplama nedir

TBC, İngilizce "thermal barrier coating" ifadesinin kısaltması. Türkçesi termal bariyer kaplama. Görevi tek cümleyle şu. Sıcak gaz ile metal yüzey arasına, ısıyı zor geçiren bir seramik duvar koymak.

Benzetme şöyle. Elinde kaynar bir çay bardağı var. Bardağı çıplak tutamazsın. Ama araya kalın bir havlu koyarsan tutabilirsin. TBC işte o havlu. Kalınlığı milimetrenin onda biri mertebesinde ama sıcaklık farkını yüzlerce derece düşürüyor.

Kaplamanın ana malzemesi genelde itriya ile stabilize edilmiş zirkonya. Kısaca YSZ denir. Zirkonya, yani zirkonyum oksit, ısıyı çok zor iletir. Saf haliyle sıcaklık değişimlerinde kristal yapısı bozulur. İtriya katkısı bu yapıyı sabitler. Tipik oran ağırlıkça yüzde 7-8 itriya.

Sayıların büyüklüğü burada başlıyor. YSZ'nin ısı iletkenliği, oda sıcaklığında metale göre kabaca yüz kat düşüktür. 1.000 santigrat derecede bu fark daralır ama yine de on katın üstünde kalır. Yani 300 mikronluk bir tabaka, arkasındaki metali 100-200 santigrat derece serin tutar. Motorun ömrü, tam bu 100-200 derecelik tamponda saklı.

Peki neden başka bir seramik değil? Alümina daha ucuz, ama ısı iletkenliği YSZ'nin iki-üç katı. Magnezya daha hafif, ama sıcaklıkta buharlaşır. Zirkonya, ergime noktası 2.700 santigrat dereceye yakın olduğu için seçilir. Yani kaplama, kendi ergime noktasının yarısında çalışır. Metal ise kendi ergime noktasının üstünde.

Plazma spreyi ve buhar birikimi

Kaplama metale öylece sürülmez. İki ana üretim yolu var ve ikisi farklı mikroyapı üretir.

Birinci yol atmosferik plazma spreyi. Kısaca APS. Toz halindeki seramik, bir plazma alevine enjekte edilir. Alev sıcaklığı 10.000 santigrat dereceyi aşar. Toz taneleri erir, yarı erir halde hedef yüzeye çarpar. Her tane yassı bir "pancake" gibi yayılır ve üst üste yığılır.

Sonuç, yassı tanelerden oluşan katmanlı bir yapı. Taneler arasında mikro gözenekler ve dikey çatlaklar kalır. Gözeneklilik tipik olarak yüzde 10-15 bandındadır. Boşluklar ısı iletkenliğini daha da düşürür. Ama aynı boşluklar, oksijenin bond coat'a sızmasına da kapı açar.

İkinci yol elektron demeti fiziksel buhar birikimi. Kısaca EB-PVD. Yöntemde seramik bir hedef, elektron demetiyle buharlaştırılır. Buhar, dönen kanadın üstüne yoğuşur. Atom atom büyüyen bu tabaka, kolonsu bir yapı oluşturur. Sütunlar birbirine dik, aralarında dikey boşluklar var.

Fark neden önemli? APS ucuz ve hızlı. EB-PVD pahalı ve yavaş. Ama EB-PVD tabakası, termal döngüde çok daha dayanıklı. Sütunlar arası boşluklar, ısınma-soğuma sırasındaki genleşmeyi yutar. O yüzden uçak motoru kanatlarında EB-PVD, kara türbinlerinde çoğu zaman APS tercih edilir.

Bir de üçüncü bir yol var, henüz olgunlaşmamış. Çözelti öncülü plazma spreyi, kısaca SPPS. Sıvı bir öncü madde plazmaya püskürtülür, damlacıklar nano boyutta taneciklere dönüşür. Sonuç, APS'den ince, EB-PVD'den ucuz bir tabaka. Ama endüstriyel ölçekte hala pilot aşamada.

Bond coat denen görünmez katman

Seramik doğrudan metale yapışmaz. Araya bir yapıştırıcı katman girer. Adı bond coat, yani bağ kaplama. Kalınlığı tipik olarak 50-150 mikron arası.

Bond coat genelde MCrAlY tipi bir alaşım. M harfi nikel, kobalt veya ikisinin karışımı olabilir. Cr krom, Al alüminyum, Y itriyum. Katmanın işi iki tane. Birincisi seramiği metale bağlamak. İkincisi, yüksek sıcaklıkta yüzeyde ince bir alüminyum oksit filmi büyütmek.

O oksit filmi kritik. Adı TGO, yani thermally grown oxide. Kalınlığı ideal olarak 1-10 mikron bandında kalmalı. Çok ince olursa koruma zayıf. Çok kalın olursa iç gerilme birikir ve kaplama kabuk gibi dökülür. Mühendislik bu filmi ne büyütmek ne de durdurmak üzerine kurulu. Doğru hızda büyümesini sağlamak üzerine.

TGO'nun büyüme hızı sıcaklığa üstel bağlıdır. Kabaca her 50 santigrat derecelik artış, büyüme hızını ikiye katlar. Yani kanadın 50 derece daha sıcak çalışması, kaplama ömrünü yarıya indirir. O yüzden motor üreticileri, egzoz gazı sıcaklığını birkaç derece düşürmek için milyonlarca dolar harcar.

Bond coat'ın bir de tuzak tarafı var. İçindeki alüminyum zamanla tükenir. Yüzeyde oksit büyüdükçe, alttan yukarıya alüminyum akar. Belli bir noktadan sonra alüminyum deposu biter. O anda TGO büyümesi durur, yerini nikel oksit ve spinel gibi koruyucu olmayan oksitler alır. Kaplama artık ölüme girmiştir.

Kaplamanın ömrünü ne bitirir

TBC sonsuz değil. Uçak motoru bakımında kaplama yenilenir. Ömrü bitiren başlıca mekanizma, termal döngü yorulmasıdır.

Her uçuş bir ısınma-soğuma çevrimidir. 1.500 derecenin üstüne çıkar. İnişte soğur. Seramik ile metal farklı hızlarda genleşir. Aradaki bond coat bu farkı emer.

Ama her çevrimde biraz yorulur. Binlerce uçuş sonunda, seramik tabaka kenarlardan kabuk gibi ayrılır. Buna spallation denir. Kritik eşik, TGO kalınlığının 10 mikronu aşmasıdır. O noktada iç gerilme, seramik ile bond coat arasındaki bağı koparır.

İkinci mekanizma, kükürt ve vanadyum gibi yakıt kaynaklı kirlilikler. Bunlar bond coat ile reaksiyona girer, TGO filmini bozar. Kükürt, oksit filminin büyümesini hızlandırır. Vanadyum ise zirkonya ile reaksiyona girip onu çözer. Üçüncüsü, partikül erozyonu. Kalkış-iniş sırasında piste yakın uçan kum ve toz, kaplamayı aşındırır.

Bir de CMAS denen bir düşman var. Kalsiyum-magnezyum-alüminyum-silikat. Çöl kumunun ana bileşeni. Motor 1.200 santigrat derecenin üstünde çalışırken bu kum erir, cam gibi akar ve kaplamanın gözeneklerine dolar. Soğuyunca katılaşır, seramiği çatlatır. O yüzden Körfez ülkelerinde çalışan motorlar, aynı motorun Avrupa'da çalışanından daha sık bakım ister.

O yüzden havacılıkta yakıt kalitesi ve hava sahası temizliği, kaplama ömrünü doğrudan etkiler. Bir çöl havaalanında çalışan motor, aynı motorun nemli bir iklimde çalışanından daha sık kaplama yenilemesi ister.

Piyasa Hafızası

Ocak 2018. Bir Boeing 737 MAX 8, Endonezya açıklarında düşer. Uçuş 610 sefer sayılıdır ve Lion Air işletmesindedir. Kazada 189 kişi hayatını kaybeder. Soruşturma, uçağın Maneuvering Characteristics Augmentation System adlı yazılımına ve tek bir hücum açısı sensörüne odaklanır.

Olayın TBC ile ilgisi dolaylı ama öğretici. Kazanın ardından 737 MAX filosu dünya çapında yere indirilir. Üretim durur, teslim edilmiş uçaklar park eder. Motor tedarikçisi CFM, LEAP motorlarının üretim hızını düşürmek zorunda kalır. LEAP motorunun yüksek basınç türbin kanatları, tam da bu yazının konusu olan EB-PVD TBC ile kaplanır.

Ders şu. Bir kaplama hattı, tek bir uçak modelinin kaderine bağlıdır. Talep bir gecede yarıya inince, o hattın ekonomisi de sarsılır. Kaplama, uçak üretim zincirinin en yavaş ve en pahalı halkalarından biridir. O yüzden kapasite planlaması, uçak sipariş defterinden çok daha kırılgandır.

Küçük Bir Hesap

Tek bir yüksek basınç türbin kanadının kaplama ekonomisini kabaca kuralım. Sayılar temsili, mantık gerçek.

Şimdi duyarlılık tarafı. Diyelim ki kaplama verimi yüzde 5 düştü. Yani her yüz kanattan beşi, gözenek veya bağlanma hatası yüzünden ıskartaya çıktı. Kanat başına maliyet 1.000 dolar ise, ıskarta kaybı kanat başına 50 dolar demek. Yıllık 30.000 kanatlık bir hatta bu, 1,5 milyon dolar eder. Tek bir odada.

Peki verim neden düşer? En sık neden, bond coat yüzeyindeki kirlilik. Bir önceki adımdan kalan artık, TGO filminin düzensiz büyümesine yol açar. Kaplama tutunmaz, dökülür. O yüzden kaplama odasına giren her kanat, temizlik ve yüzey hazırlığından geçer. O adımın maliyeti, kaplamanın kendisi kadar olabilir.

Bir de ikinci bir duyarlılık var. Diyelim ki TGO büyüme hızı, sıcaklık artışıyla iki katına çıktı. Kaplama ömrü yarıya iner. Bakım aralığı 8.000 uçuş saatinden 4.000'e düşer. Bir filo için bu, yılda birkaç ek bakım hattı demek. Kaplama maliyeti değil, motorun yerde kaldığı süre asıl faturadır.

Katmanlı okuma

TBC kaplamayı üç katmanda okuyabilirsin.

Birincisi malzeme katmanı. Zirkonya neden seçildi, itriya ne yapıyor, bond coat neden gerekli. Katman, ısı iletiminin ve oksit büyümesinin fiziğidir.

İkincisi süreç katmanı. APS mi EB-PVD mi, hangi sıcaklıkta, hangi kalınlıkta, hangi verimle. Katman, bir kaplama odasının saat başına ne ürettiğidir.

Üçüncüsü tedarik zinciri katmanı. Kaplama kapasitesi, uçak programının kaderine bağlıdır. Bir model yere inince, o modelin kaplama hattı da durur. Yatırımın geri dönüşü, uçuş saatine ve bakım takvimine bağlıdır.

Üç katmanı birbirinden ayırırsan, bir motor parçasının fiyatını sadece malzeme listesinden değil, o parçanın geçtiği her fırından ve her temizlik adımından okuyabilirsin. Kaplama görünmez. Ama motorun ömrü, tam o görünmez tabakanın kalınlığında saklı.