Effetto del trattamento termico ad alta temperatura sulla stabilità di fase e trasformazione di Yb2O3 e Y2O3 co

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 9955 (2022) Citare questo articolo

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Il materiale ceramico ZrO2 drogato con Y2O3 (YSZ) viene utilizzato per proteggere i componenti in lega lavorati ad alta temperatura. Ma la sua trasformazione di fase tra fase tetragonale e fase monoclina avvenuta a 1150 °C porta a YSZ non valido. Pertanto, migliorare la stabilità di fase di YSZ è necessario per soddisfare le esigenze dello sviluppo di rivestimenti a barriera termica (TBC). In questo studio, la diffrazione di raggi X e gli spettri Raman sono stati utilizzati per esplorare la stabilità di fase e la trasformazione di fase delle ceramiche ZrO2 (YbYSZ) co-drogate con Yb2O3 e Y2O3 dopo il trattamento termico a 1300 °C con tempi diversi. La stabilità della fase tetragonale viene migliorata dalla diminuzione della tetragonalità con il drogato Yb3+. Allo stesso tempo, l’incorporazione di Yb3+ porta all’accoppiamento O–O, che è vantaggioso per aumentare la concentrazione dei posti vacanti di ossigeno vicino agli ioni sostituiti, migliorando così la stabilità del cristallo. La ceramica 6.5YbYSZ ha la migliore stabilità dopo il trattamento termico a 1300 °C per tempi diversi.

Nell’attuale competitività dell’economia mondiale si desiderano componenti tecnici più efficienti per applicazioni nei settori energetico, automobilistico, aerospaziale, elettronico ed energetico. I rivestimenti a barriera termica (TBC) vengono solitamente utilizzati per proteggere i componenti che operano in ambienti ad alta temperatura, corrosione o altri ambienti difficili1,2. I TBC sono composti da due strati importanti: rivestimento metallico e rivestimento superiore in ceramica. Il rivestimento adesivo metallico utilizza sempre la lega MCrAlY (M = Ni, Co, Ni + Co, ecc.) per proteggere i componenti dall'ossidazione e dalla corrosione, mentre il rivestimento superiore ceramico funge da isolante3,4. Essendo a diretto contatto con l'ambiente di lavoro difficile, il rivestimento ceramico dovrebbe avere una diffusività termica inferiore, migliori prestazioni sulla stabilità di fase e resistenza allo shock termico durante i cicli termici, nonché una migliore resistenza all'ossidazione e alla corrosione5,6. Il 6–8% in peso di Y2O3 ZrO2 parzialmente stabilizzato (YSZ) come la scelta più promettente del top coat ceramico mostra prestazioni complete eccezionali in termini di conduttività termica, stabilità di fase e altri aspetti5,7,8. Tuttavia, quando la temperatura ambiente operativa supera i 1200 °C, la fase tetragonale (t) si trasforma nella fase monoclina (m), che è accompagnata da un'espansione di volume del 3–5%, portando a dannose crepe nei rivestimenti9,10. Inoltre, a temperature elevate (superiori a 1200 °C), i pori all'interno dei rivestimenti YSZ subiscono un restringimento, in particolare quelli perpendicolari al flusso di calore, determinando così un aumento significativo della conduttività termica dei TBC11,12,13,14.

Pertanto, per lo sviluppo di turbine a gas di nuova generazione sono urgentemente necessari la ricerca e lo sviluppo di materiali ceramici con conduttività termica inferiore e rivestimento superiore più stabili alle alte temperature. Numerosi studi hanno dimostrato che il drogaggio di ossidi di terre rare (RE2O3) con masse o raggi atomici diversi nei sistemi YSZ è un metodo efficace per migliorare le prestazioni di isolamento termico e la stabilità di fase ad alta temperatura15,16,17,18,19. Stecura et al.20 hanno esplorato la durata del ciclo termico del sistema ZrO2 stabilizzato con Yb2O3 a 1120 °C e hanno scoperto che le modalità di guasto del ciclo termico di Yb2O3-ZrO2 e Y2O3-ZrO2 erano simili, ma la durata del ciclo termico di Yb2O3-ZrO2 era significativamente migliore di quello di YSZ. Confrontando la stabilità di fase di Yb2O3 e ZrO2 co-stabilizzato con Y2O3 a 1450 °C, Caireny et al.21 hanno scoperto che l'aggiunta di Yb potrebbe migliorare efficacemente la stabilità di fase. Jing et al.22 hanno studiato ceramiche ZrO2 stabilizzate con Yb2O3 al 3–10% in moli e hanno scoperto che le ceramiche erano costituite dalla fase tetragonale metastabile (t′) e avevano una conduttività termica inferiore. Leilei et al.23 hanno studiato sistematicamente gli effetti di Yb2O3 e Y2O3 co-drogati in ZrO2 sulla stabilità di fase e sulla conduttività termica. I loro risultati hanno mostrato che ZrO2 co-drogato aveva una migliore stabilità di fase e una conduttività termica inferiore rispetto a quelli delle ceramiche ZrO2 drogate con Yb2O3 o Y2O3. Lei e i suoi colleghi16,24,25 hanno preparato ceramiche YSZ co-drogate con 1 mol% di RE2O3 (RE = La, Nd, Gd) e 1 mol% di Yb2O3–YSZ (1RE1Yb–YSZ) e 3,5 mol% di RESZ (RE = Dy, Y, Er, Yb) ceramiche mediante un metodo di coprecipitazione chimica. Hanno scoperto che tutte le ceramiche preparate erano composte dalla fase t′. La stabilità di fase e la conduttività termica di 1RE1Yb–YSZ sono diminuite con l'aumento del raggio ionico RE3+, mentre la resistenza alla frattura di RESZ al 3,5% in moli ha mostrato la tendenza opposta. Inoltre, la resistenza alla corrosione di una ceramica GdYb-YSZ era migliore di quella di YSZ.