Modeling of High-Temperature Oxidation Through Pores and Cracks in Oxidation Protective Coatings

Abstract

This study aims to develop improved models for predicting high-temperature oxidation through pores and cracks in oxidation protective coating layers. The oxidation protective layers are generally used to improve the ablation resistance of carbon-based materials vulnerable to oxidation in hypersonic flow environments. However, carbon substrates can be oxidized by oxygen penetrating through splits within the cracked coating or pores within the oxidized layer. The developed models aim to identify the oxidation resistance performance of oxidation-resistant coatings that protect carbon/carbon. The target coating materials are silicon carbide (SiC), hafnium carbide (HfC), and zirconium carbide (ZrC), and the temperature range of the model is from 1,000 °C or more to below the melting point of these materials. The model for cracks predicts the amount of carbon/carbon substrates oxidized by oxygen attack through coating cracks with the width of micrometer units and slots with width in millimeters. The model for pores predicts the oxide growth rate of oxidation-resistant coating caused by the oxidizer diffused into the carbide through the pores in the oxide. The model for estimating the oxidation rate through cracks is developed based on the complete multi-component gaseous diffusion equation and considers the cavity growing in carbon substrates. The results obtained using the derived model are validated for both coatings with narrow cracks and wide slots with experimental results from the previously published paper. The weight loss by oxidation of C/C underlying SiC coating was measured in the temperature range of 1,000 °C to 1,300 °C, which is copying the thermal environment on the surface of re-entering Space Shuttle. The model results show good agreement with the test data while existing models predict the weight loss of the carbon composite as approximately half of or less than the measurements. Furthermore, the impact of each assumption used in the development of the model is examined. Finally, oxidation characteristics according to the geometry of the crack and cavity and atmospheric conditions are investigated. The model predicting the carbide coatings' oxide growth rate is developed based on the simplified version of the multi-component gaseous diffusion equation using the effective diffusion coefficient. The effective diffusion coefficient includes the Knudsen diffusion and the molecular diffusion, which reflect the influence of porous media. The results from the derived model are also validated with experimental results from the previously published paper. The oxide growth rates from the model show good agreement with the test data from 1,200 °C to 2,000 °C in air. Also, the model calculation agrees with the measurements from 1,200 °C to 1,600 °C in oxygen partial pressure of 0.02 atm and 1 atm. The effect of adjustable parameters of the model, such as porosity, pore radius, and tortuosity, on the calculation was researched.

본 연구는 내산화 코팅층의 기공과 크랙을 통해 침투한 산소로 인해 발생하는 산화 현상을 예측하기 위한 모델 개발을 목표로 한다. 내산화층은 극초음속 유동 환경에서 산화에 취약한 탄소 소재의 내삭마 성능을 향상시키기 위해 사용된다. 그러나 코팅의 균열이나 산화된 내산화층에 존재하는 기공을 통해 산소가 침투하여 탄소 모재가 산화될 수 있다. 본 연구에서 개발된 모델은 carbon/carbon 모재를 방어하기 위한 내산화 코팅의 내산화 성능을 예측하기 위한 모델이다. 본 연구가 목표로 하는 소재는 실리콘 카바이드 (SiC), 하프늄 카바이드 (HfC), 지르코늄 카바이드 (ZrC)이며, 1,000 °C 부터 이 소재의 용융점 이하의 온도 영역에서 모델링하였다. 크랙 모델은 마이크로미터 단위의 폭을 지난 미세한 크랙부터 밀리미터 단위의 큰 폭을 가진 균열을 통해 침투한 산소로 인해 탄소 모재가 산화되는 양을 예측한다. 기공 모델을 산화층의 기공을 통해 카바이드 층까지 확산된 산소로 인해 카바이드 내산화층이 산화층으로 변환되어 산화층이 생성되는 성장률을 예측한다. 크랙을 통한 산화를 예측하기 위한 모델은 완전한 형태의 다화학종 기체 확산 방정식으로부터 유도되었으며 탄소 모재에서 성장하는 구멍의 영향도 고려하였다. 모델 예측값은 기존 문헌의 실험 결과에 대해 검증되었다. 미세한 균열과 큰 폭의 균열에 대해 모두 검증되었으며, 우주왕복선의 재진입 환경인 1,000 °C 부터 1,300 °C 까지 검증되었다. 기존 모델은 시험 결과 대비 절반 이하의 값으로 예측하였으나 본 연구에서 개발된 모델은 시험 결과와 잘 일치하였다. 그리고 모델 개발과정에서 가정된 요소들에 대해 각 요소들이 예측값에 미치는 영향을 분석하였다. 그리고 크랙의 형상과 대기 조건이 산화 속도에 미치는 영향을 분석하였다. 코팅의 산화층 생성을 예측하기 위한 모델은 유효 확산계수를 사용하는 단순화된 다화학종 기체 확산 방정식으로부터 유도되었다. 유효 확산계수는 Knudsen 확산과 다공성 물질의 영향을 고려한 분자 확산을 포함한다. 마찬가지로 기존 문헌의 실험 결과에 대해 검증되었다. 개발된 모델로부터 계산된 산화층 생성 속도는 공기 조건에 대하여 1,200 °C 부터 2,000 °C 까지, 그리고 0.02, 1 기압 산소 분압 조건에서는 1,200 °C 부터 1,600 °C 까지 제공된 시험 결과와 일치하는 경향을 보였다. 기공도, 기공 반지름, 비틀림 인자 등 모델에 포함된 조정가능한 파라미터가 예측 결과에 미치는 영향을 분석하였다.