Влияние термической обработки при высокой температуре на фазовую стабильность и превращение Yb2O3 и Y2O3 co.

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 9955 (2022) Цитировать эту статью

868 Доступов

2 цитаты

Подробности о метриках

Керамический материал ZrO2 (YSZ), легированный Y2O3, используется для защиты компонентов сплава, работающих при высоких температурах. Но его фазовое превращение между тетрагональной фазой и моноклинной фазой, произошедшее при 1150 °C, приводит к недействительности YSZ. Поэтому повышение фазовой стабильности YSZ необходимо для удовлетворения потребностей разработки термобарьерных покрытий (ТБП). В данном исследовании рентгеновская дифракция и спектры комбинационного рассеяния света были использованы для изучения фазовой стабильности и фазового превращения керамики ZrO2, солегированной Yb2O3 и Y2O3 (YbYSZ), после термообработки при 1300 °C в разное время. Стабильность тетрагональной фазы улучшается за счет уменьшения тетрагональности при легировании Yb3+. Одновременно введение Yb3+ приводит к O–O-сочетанию, что способствует увеличению концентрации кислородных вакансий вблизи замещенных ионов и тем самым повышает стабильность кристалла. Керамика 6,5YbYSZ обладает наилучшей стабильностью после термообработки при температуре 1300 °С в течение разного времени.

В условиях современной конкурентной мировой экономики требуются более эффективные инженерные компоненты для применения в энергетике, автомобилестроении, аэрокосмической, электронной и энергетической промышленности. Термобарьерные покрытия (ТПП) обычно используются для защиты тех компонентов, которые работают в условиях высоких температур, коррозии или других суровых условиях1,2. TBC состоят из двух важных слоев: металлического связующего слоя и керамического верхнего слоя. В металлическом связующем слое всегда используется сплав MCrAlY (M = Ni, Co, Ni + Co и т. д.) для защиты компонентов от окисления и коррозии, а керамическое верхнее покрытие действует как изолятор3,4. Находясь в прямом контакте с суровой рабочей средой, керамическое верхнее покрытие должно иметь более низкую температуропроводность, лучшие показатели фазовой стабильности и термостойкости во время термоциклирования, а также лучшую стойкость к окислению и коррозии5,6. Частично стабилизированный ZrO2 (YSZ) с концентрацией 6–8% Y2O3 в качестве наиболее перспективного керамического верхнего покрытия демонстрирует выдающиеся комплексные характеристики по теплопроводности, фазовой стабильности и другим аспектам5,7,8. Однако, когда рабочая температура окружающей среды превышает 1200 °C, тетрагональная (t) фаза превращается в моноклинную (m) фазу, что сопровождается объемным расширением на 3–5%, что приводит к вредным трещинам в покрытиях9,10. Более того, при высоких температурах (более 1200 °C) поры внутри YSZ-покрытий подвергаются усадке, особенно те, которые перпендикулярны тепловому потоку, что приводит к значительному увеличению теплопроводности ТБЦ11,12,13,14.

Поэтому для разработки газовых турбин нового поколения срочно необходимы исследования и разработки керамических материалов с более низкой теплопроводностью и более стабильных верхних покрытий при высоких температурах. Многочисленные исследования показали, что легирование редкоземельных оксидов (RE2O3) с различными атомными массами или радиусами в системы YSZ является эффективным методом улучшения теплоизоляционных характеристик и высокотемпературной фазовой стабильности15,16,17,18,19. Стекура и др.20 исследовали срок службы системы ZrO2, стабилизированной Yb2O3, при температуре 1120 °C и обнаружили, что режимы отказа при термическом цикле Yb2O3-ZrO2 и Y2O3-ZrO2 были схожи, но срок службы Yb2O3-ZrO2 при термическом цикле был значительно выше. лучше, чем у YSZ. Сравнивая фазовую стабильность Yb2O3 и Y2O3, совместно стабилизировавшего ZrO2 при 1450 °C, Кайрени и др.21 обнаружили, что добавление Yb может эффективно улучшить фазовую стабильность. Цзин и др.22 исследовали керамику ZrO2, стабилизированную 3–10 мол% Yb2O3, и обнаружили, что керамика состоит из метастабильной тетрагональной фазы (t') и имеет более низкую теплопроводность. Лейлей и др.23 систематически исследовали влияние Yb2O3 и Y2O3, легированных в ZrO2, на фазовую стабильность и теплопроводность. Их результаты показали, что солегированный ZrO2 обладает лучшей фазовой стабильностью и более низкой теплопроводностью, чем керамика ZrO2, легированная Yb2O3 или Y2O3. Лей и его коллеги16,24,25 приготовили керамику YSZ, легированную YSZ (1RE1Yb-YSZ) с 1 моль % RE2O3 (RE = La, Nd, Gd) и 1 мол % Yb2O3 и 3,5 мол % RESZ (RE = Dy, Y, Er, Yb) керамика методом химического соосаждения. Они обнаружили, что вся приготовленная керамика состоит из t'-фазы. Фазовая стабильность и теплопроводность 1RE1Yb–YSZ снижались с увеличением радиуса иона RE3+, тогда как вязкость разрушения 3,5 мол% RESZ демонстрировала противоположную тенденцию. Кроме того, коррозионная стойкость керамики GdYb-YSZ была лучше, чем у YSZ.