journal article·2017-07-03

Silicate Deposit Degradation of Engineered Coatings in Gas Turbines: Progress Toward Models and Materials Solutions

David L. Poerschke, R. Wesley Jackson, Carlos G. Levi

Publisher page

Abstract

Modern gas turbines rely on ceramic coatings to protect structural components along the hot gas path. These coatings are susceptible to accelerated degradation caused by silicate deposits formed when ingested environmental debris (dust, sand, ash) adheres to the coatings. This article reviews the current understanding of the deposit-induced failure mechanisms for zirconia-based thermal barrier coatings and silicate environmental barrier coatings. Details of the debris melting and crystallization behavior, the nature of the chemical reactions occurring between the deposits and coatings, and the implications for the thermocyclic durability of the coatings are described. Given the challenges posed in understanding how prospective coating materials and architectures will respond to a broad range of deposit compositions, it is proposed to develop an integrated framework linking thermochemical and thermomechanical models to predict coating durability. Initial progress toward developing this framework, and the requisite research needs, are discussed.
Source: crossref · Quality: baseline

Research context

OpenAlex topics: High-Temperature Coating Behaviors · Nuclear Materials and Properties · Catalytic Processes in Materials Science

SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.

Affiliations

Materials Department, University of California, Santa Barbara, California 93106-5050;

References (100+)

Show source-provided references
1. 10.1016/j.jeurceramsoc.2007.12.02310.1016/j.jeurceramsoc.2007.12.023 ↗
2. 10.1016/S0257-8972(96)02994-510.1016/S0257-8972(96)02994-5 ↗
3. 10.1557/mrs.2012.23010.1557/mrs.2012.230 ↗
4. 10.1016/j.actamat.2004.11.02810.1016/j.actamat.2004.11.028 ↗
5. 10.1016/j.surfcoat.2007.06.04510.1016/j.surfcoat.2007.06.045 ↗
6. 10.1111/j.1551-2916.2010.03916.x10.1111/j.1551-2916.2010.03916.x ↗
7. 10.1016/j.surfcoat.2015.12.05310.1016/j.surfcoat.2015.12.053 ↗
8. 10.1111/j.1551-2916.2011.04448.x10.1111/j.1551-2916.2011.04448.x ↗
9. 10.1557/mrs.2012.23210.1557/mrs.2012.232 ↗
10. 10.1557/mrs.2012.23310.1557/mrs.2012.233 ↗
11. 10.1016/j.cossms.2004.03.00910.1016/j.cossms.2004.03.009 ↗
12. 10.1016/j.surfcoat.2006.11.01110.1016/j.surfcoat.2006.11.011 ↗
13. Schaedler TA · J. Am. Ceram. Soc. · 2007 · 90 · 389610.1111/j.1551-2916.2007.01990.x ↗
14. 10.1016/j.surfcoat.2013.01.02610.1016/j.surfcoat.2013.01.026 ↗
15. 10.1016/j.actamat.2005.03.03510.1016/j.actamat.2005.03.035 ↗
16. 10.1111/jace.1303310.1111/jace.13033 ↗
17. 10.1016/S0257-8972(00)00889-610.1016/S0257-8972(00)00889-6 ↗
18. 10.1111/j.1744-7402.2004.tb00181.x10.1111/j.1744-7402.2004.tb00181.x ↗
19. 10.1016/j.jeurceramsoc.2004.12.01310.1016/j.jeurceramsoc.2004.12.013 ↗
20. 10.1111/j.1551-2916.2008.02888.x10.1111/j.1551-2916.2008.02888.x ↗
21. 10.1111/jace.1238810.1111/jace.12388 ↗
22. 10.1016/j.jeurceramsoc.2008.07.02610.1016/j.jeurceramsoc.2008.07.026 ↗
23. 10.1111/jace.1297410.1111/jace.12974 ↗
24. 10.1016/j.jeurceramsoc.2015.07.01910.1016/j.jeurceramsoc.2015.07.019 ↗
25. 10.1007/s10853-015-9358-510.1007/s10853-015-9358-5 ↗
26. 10.1111/jace.1326210.1111/jace.13262 ↗
27. 10.1007/BF0322266310.1007/BF03222663 ↗
28. 10.1111/j.1551-2916.2010.04166.x10.1111/j.1551-2916.2010.04166.x ↗
29. 10.1038/ncomms1079510.1038/ncomms10795 ↗
30. 10.1115/1.218118110.1115/1.2181181 ↗
31. 10.1115/1.290390110.1115/1.2903901 ↗
32. 10.1016/j.msea.2011.06.04110.1016/j.msea.2011.06.041 ↗
33. 10.1111/j.1551-2916.2011.04747.x10.1111/j.1551-2916.2011.04747.x ↗
34. Shinozaki M · Adv. Eng. Mater. · 2013 · 15 · 98610.1002/adem.201200357 ↗
35. 10.1016/j.surfcoat.2012.07.07410.1016/j.surfcoat.2012.07.074 ↗
36. 10.1111/jace.1324110.1111/jace.13241 ↗
37. 10.1016/j.surfcoat.2009.07.03410.1016/j.surfcoat.2009.07.034 ↗
38. 10.1007/978-3-319-48234-7_1110.1007/978-3-319-48234-7_11 ↗
39. Bohna N · 2015
40. 10.1016/j.msea.2008.01.00610.1016/j.msea.2008.01.006 ↗
41. 41. Tolpygo VK. 2017. Vapor-phase CMAS-induced degradation of adhesion of thermal barrier coatings.Oxid. Met.https://doi.org/10.1007/s11085-017-9715-710.1007/s11085-017-9715-7 ↗
42. Wessels K. · 2016
43. 10.1016/j.surfcoat.2007.03.02910.1016/j.surfcoat.2007.03.029 ↗
44. 10.1115/1.400772710.1115/1.4007727 ↗
45. 10.1016/j.ijsolstr.2013.12.02910.1016/j.ijsolstr.2013.12.029 ↗
46. 46. Lutz BS, Jackson RW, Abdul-Jabbar NM, Tolpygo VK, Levi CG. 2017. Water vapor effects on the CMAS degradation of thermal barrier coatings.Oxid. Met.https://doi.org/10.1007/s11085-016-9694-010.1007/s11085-016-9694-0 ↗
47. 10.1016/j.actamat.2015.01.03810.1016/j.actamat.2015.01.038 ↗
48. 48. Hasz WC, Borom MP, Johnson CA. 1999.Protected thermal barrier coating composite with multiple coatings. US Patent Appl. US5914189 A
49. 10.1111/j.1744-7402.2009.02373.x10.1111/j.1744-7402.2009.02373.x ↗
50. 10.1016/j.surfcoat.2014.04.00710.1016/j.surfcoat.2014.04.007 ↗
51. 10.1016/j.surfcoat.2009.09.05510.1016/j.surfcoat.2009.09.055 ↗
52. 10.1111/j.1551-2916.2007.02175.x10.1111/j.1551-2916.2007.02175.x ↗
53. 10.1016/j.actamat.2015.12.05310.1016/j.actamat.2015.12.053 ↗
54. 10.1016/j.actamat.2015.10.01910.1016/j.actamat.2015.10.019 ↗
55. 10.1111/j.1551-2916.2006.01209.x10.1111/j.1551-2916.2006.01209.x ↗
56. 10.1016/j.jeurceramsoc.2016.07.02710.1016/j.jeurceramsoc.2016.07.027 ↗
57. Tolpygo VK. · 2014
58. 58. Turkdogan ET. 1980.Physical Chemistry of High Temperature Technology. New York:Academic
59. Fluegel A. · Glass Technol. Eur. J. Glass Sci. Technol. A · 2007 · 48 · 13
60. 10.1016/j.epsl.2008.03.03810.1016/j.epsl.2008.03.038 ↗
61. 10.1016/j.scriptamat.2016.07.02010.1016/j.scriptamat.2016.07.020 ↗
62. 10.1016/j.actamat.2016.08.07710.1016/j.actamat.2016.08.077 ↗
63. 10.1016/j.surfcoat.2014.10.02310.1016/j.surfcoat.2014.10.023 ↗
64. 10.1111/jace.1347810.1111/jace.13478 ↗
65. 10.1557/S088376940004822310.1557/S0883769400048223 ↗
66. 10.1016/j.scriptamat.2013.12.00810.1016/j.scriptamat.2013.12.008 ↗
67. 10.1016/j.surfcoat.2013.11.01410.1016/j.surfcoat.2013.11.014 ↗
68. Chellah N · 2012
69. 10.1016/j.actamat.2007.08.02810.1016/j.actamat.2007.08.028 ↗
70. 10.1016/j.surfcoat.2012.03.05110.1016/j.surfcoat.2012.03.051 ↗
71. 10.1016/j.jeurceramsoc.2014.09.00610.1016/j.jeurceramsoc.2014.09.006 ↗
72. 10.1111/jace.1225110.1111/jace.12251 ↗
73. 10.1016/j.actamat.2012.06.05310.1016/j.actamat.2012.06.053 ↗
74. 10.1111/jace.1320910.1111/jace.13209 ↗
75. Eils NK · J. Am. Ceram. Soc. · 2013 · 96 · 333310.1111/jace.12502 ↗
76. 10.1149/2.0301610jes10.1149/2.0301610jes ↗
77. 10.1016/j.jeurceramsoc.2014.02.03110.1016/j.jeurceramsoc.2014.02.031 ↗
78. 10.1016/j.ceramint.2012.07.08410.1016/j.ceramint.2012.07.084 ↗
79. 10.1016/j.surfcoat.2013.07.02910.1016/j.surfcoat.2013.07.029 ↗
80. 10.1111/jace.1396410.1111/jace.13964 ↗
81. 10.1016/j.jeurceramsoc.2016.01.04610.1016/j.jeurceramsoc.2016.01.046 ↗
82. 10.1016/j.jallcom.2016.10.26310.1016/j.jallcom.2016.10.263 ↗
83. 10.1016/j.actamat.2011.03.00810.1016/j.actamat.2011.03.008 ↗
84. 10.1557/JMR.2001.038110.1557/JMR.2001.0381 ↗
85. 10.1016/j.jeurceramsoc.2008.01.00910.1016/j.jeurceramsoc.2008.01.009 ↗
86. 10.1016/j.actamat.2013.07.04710.1016/j.actamat.2013.07.047 ↗
87. 10.1016/j.surfcoat.2013.08.03610.1016/j.surfcoat.2013.08.036 ↗
88. 10.1111/jace.1321010.1111/jace.13210 ↗
89. 10.1016/j.surfcoat.2015.08.06910.1016/j.surfcoat.2015.08.069 ↗
90. 10.1111/j.1551-2916.2005.00698.x10.1111/j.1551-2916.2005.00698.x ↗
91. 10.1557/JMR.2005.012310.1557/JMR.2005.0123 ↗
92. 10.1016/j.jallcom.2005.09.07910.1016/j.jallcom.2005.09.079 ↗
93. 10.1016/j.calphad.2008.03.00310.1016/j.calphad.2008.03.003 ↗
94. 10.3139/146.01790910.3139/146.017909 ↗
95. 10.1016/j.mspro.2014.10.01410.1016/j.mspro.2014.10.014 ↗
96. 10.1021/ja00753a01910.1021/ja00753a019 ↗
97. 10.1179/1878641315Y.000000001710.1179/1878641315Y.0000000017 ↗
98. 10.1016/j.surfcoat.2015.03.00910.1016/j.surfcoat.2015.03.009 ↗
99. Duffy JA. · Phys. Chem. Glasses · 2005 · 46 · 1
100. 10.1063/1.36096210.1063/1.360962 ↗