Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Только для подписчиков

Влияние концентрата редкоземельных элементов на стабилизацию высокотемпературных фаз и свойства керамики на основе ZrO2–7Y2O3


https://doi.org/10.17073/1997-308X-2019-1-42-51

Полный текст:


Аннотация

Методом химического соосаждения из неорганических прекурсоров получены порошки на основе ZrO2–7мас.%Y2O3, в которые вводили оксиды редкоземельных элементов (РЗЭ) – La, Nd, Pr – в виде концентрата в количестве от 5 до 15 мас.%. С помощью дифференциально-термического анализа установлено, что увеличение содержания концентрата приводит к смещению температурных максимумов тепловых эффектов в область высоких температур c 450 до 505 °С. С использованием метода спектроскопии комбинационного рассеяния света проведены исследования влияния температуры отжига в интервале 600–1200 °С на фазовые превращения синтезированных порошков системы ZrO2–7%Y2O3–РЗЭ, которые показали, что их фазовый состав, вне зависимости от содержания концентрата, состоит из тетрагонального диоксида циркония ZrO2. Изучено влияние температуры спекания на процессы уплотнения синтезированных порошков, фазовый состав и микроструктуру керамики. Выявлено, что наибольшей скоростью уплотнения при спекании обладает керамика с 10 % концентрата РЗЭ, а повышение содержания концентрата до 15 % приводит к торможению процессов уплотнения при спекании. Наибольшие значения открытой пористости при всех температурах спекания имела керамика с 15 % РЗЭ. Отмечено, что для образцов с 10 и 15 % концентрата РЗЭ с ростом температуры спекания наблюдаются снижение интенсивности пиков КР-спектров и их уширение, что связано с формированием тетрагональной модификации другого типа. Результаты атомно-силовой микроскопии показали, что после спекания при температуре 1350 °С в структуре керамики, содержащей 15 % концентрата РЗЭ, в отличие от других составов, обнаружено выделение новой фазы, имеющей огранку и слоистое строение.

Об авторах

В. Б. Кульметьева
Пермский национальный исследовательский политехнический университет (ПНИПУ).
Россия

 Канд. техн. наук, доцент кафедры «Материалы, технологии и конструирование машин» ПНИПУ.

614990, г. Пермь, Комсомольский пр-т, 29. 



Д. С. Вохмянин
Пермский национальный исследовательский политехнический университет (ПНИПУ).
Россия

Науч. сотр. Научного центра порошкового материаловедения ПНИПУ.

614013, г. Пермь, ул. Профессора Поздеева, 6.



Список литературы

1. David R. Clarke, Matthias Oechsner, Nitin P. Padture. Thermal-barrier coatings for more efficient gas-turbine engines. MRS Bull. 2012. Vol. 37. No. 10. Р. 891—898. DOI: 10.1557/mrs.2012.232.

2. Moskal G. Thermal barrier coatings: characteristics of microstructure and properties, generation and directions of development of bond. J. Ach. Mater. Manuf. Eng. 2009. Vol. 37. No. 2. P. 323—331.

3. Kumar V., Kandasubramanian B. Processing and design methodologies for advanced and novel thermalbarrier coatings for engineering applications. Particuology. 2016. Vol. 27. P. 1—28. DOI: 10.1016/j.partic.2016.01.007.

4. Kablov E.N., Muboyadzhyan S.A. Heat-resistant coatings for the high-pressure turbine blades of promising GTES. Russ. Metall. (Metally). 2012. Vol. 2012. No. 1. P. 1—7. DOI: 10.1134/S0036029512010089.

5. Chubarov D.A., Budinovskii S.A. Selection of ceramic material for heat-shielding coatings of aircraft turbine blades for operating temperatures up to 1400 °С. Trudy VIAM. 2015. URL: http://viam-works.ru/plugins / content/journal/uploads /articles/pdf/802.pdf (accessed: 28.01.2018) (In Russ.).

6. Pan We., Phillpot Simon R., Wan Chunle, Chernatynskiy A., Qu Zhixue. Low thermal conductivity oxides. MRS Bull. 2012. Vol. 37. No. 10. Р. 917—922. DOI: 10.1557/ mrs.2012.234.

7. Clarke David R., Phillpot Simon R. Thermal barrier coating materials. Mater. Today. 2005. Vol. 8. No. 6. P. 22—29.

8. Cao X. Application of rare earths in thermal barrier coating materials. J. Mater. Sci. Technol. 2007. Vol. 23. No. 1. P. 15—35.

9. Vaßen R., Jarligo M.O., Steinke T., Mack D.E., Stöver D. Overview on advanced thermal barrier coatings. Surf. Coat. Technol. 2010. Vol. 205. Iss. 4. P. 938—942. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2010.08.151.

10. Cao X.Q., Vassen R., Stoever D. Ceramic materials for thermal barrier coatings. J. Eur. Ceram. Soc. 2004. Vol. 24. P. 1—10. DOI: 10.1016/S0955-2219(03)00129-8.

11. Jing Zhang, Xingye Guo, Yeon-Gil Jung, Li Li, James Knapp. Lanthanum zirconate based thermal barrier coatings: A review. Surf. Coat. Technol. 2016. Vol. 323. P. 18—29. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2016.10.019.

12. Yang Wang, Rishi Kumar, Justin Rollerand, Radenka Maric. Synthesis and characterization of nano-crystalline La2Zr2O7 film by reactive spray deposition technology for application in thermal barrier coatings. MRS Adv. 2017. Vol. 2. Iss. 28. P. 1519—1525. DOI: 10.1557/adv. 2017.154.

13. Dowon Song, Ungyu Paik, Xingye Guo, Jing Zhang, TaKwanWoo, Zhe Lu, Sung-Hoon Jung, Je-Hyun Lee, YeonGil Jung. Microstructure design for blended feedstock and its thermal durability in lanthanum zirconate based thermal barrier coatings. Surf. Coat. Technol. 2016. Vol. 308. P. 40—49. DOI: org/10.1016/j.surfcoat.2016.07.112.

14. Zhou Hongming, Yi Danqing. Effect of rare earth doping on thermo-physical properties of lanthanum zirconate ceramic for thermal barrier coatings. J. Rare Earths. 2008. Vol. 26. Iss. 6. P. 770—774. DOI: org/10.1016/S10020721(09)60002-8.

15. Chubarov D.A., Matveev P.V. New ceramic materials for heat-shielding coatings of GTE blades. Aviatsionnye materialy i tekhnologii. 2013. No. 4 (29). P. 43—46 (In Russ.).

16. Tsipas S.A. Effect of dopants on the phase stability of zirconia-based plasma sprayed thermal barrier coatings. J. Eur. Ceram. Soc. 2010. Vol. 30. P. 61—72. DOI: 10.1016/j. jeurceramsoc.2009.08.008.

17. Byung-Koog Jang, Seongwon Kim, Yoon-Suk Oh, HyungTae Kim, Yoshio Sakka, Hideyuki Murakami. Effect of Gd2O3 on the thermal conductivity of ZrO2—4mol.%Y2O3 ceramics fabricated by spark plasma sintering. Scr. Mater. 2013. Vol. 69(2). P. 165—170. DOI: 10.1016/j. scriptamat.2013.01.037.

18. Jamali H., Loghman-Estarki M.R., Shoja Razavi R., Mozafarinia R., Edris H., Bakhshi S.R. Comparison of thermal shock behavior of nano-7YSZ, 15YSZ and 5.5SYSZ thermal barrier coatings produced by APS method. Ceram.-Silik. 2016. Vol. 60 (3). P. 210—219. DOI: 10.13168/cs.2016.0032.

19. Daniel Soares de Almeida, Carlos Alberto Alves Cairo, Cosme Roberto M. Silva, Maria do Carmo A. Nono. Thermal barrier coating by electron beam-physical vapor deposition of zirconia co-doped with yttria and niobia. J. Aerosp. Technol. Manag. 2010. Vol. 2. No. 2. Р. 195—202. DOI: 10.5028/jatm.2010.02026910.

20. Smirnov A.A., Budinovskii S.A., Matveev P.V., Chubarov D.A. Development of heat-shielding coatings for TVD blades from nickel single-crystal alloys VZhM4, VZhM5U. Trudy VIAM. 2016. No. 1. URL: http://viam-works.ru/ plugins/content/journal/uploads/articles/pdf/907.pdf (accessed: 28.01.2018) (In Russ.).

21. Budinovskii S.A., Smirnov A.A., Matveev P.V., Chubarov D.A. Development of heat-shielding coatings for working and nozzle blades of the turbine from heat-resistant and intermetallic alloys. Trudy VIAM. 2015. No. 4. URL: http://viam-works.ru/plugins/content/journal/ uploads/articles/pdf/800.pdf (accessed: 28.01.2018) (In Russ.).

22. Mazilin I.V., Baldaev L.Kh., Zaitsev N.G., Drobot D.V., Marchukov E.Yu. Phase composition and thermal conductivity of zirconia-based thermal barrier coating. Inorg. Mater. 2016. Vol. 52. No. 8. Р. 802—810. DOI: 10.1134/ S0020168516080124.

23. Tang X., Zheng X. Raman scattering and t-phase lattice vibration of 3 % (mole fraction) Y2O3—ZrO2. J. Mater. Sci. Technol. 2004. Vol. 20. No. 5. Р. 485—489.

24. Torres D.I., Llopis J. Infrared photoluminescence and Raman spectra in the Y2O3—ZrO2 system. Superlatt. Microstruct. 2009. Vol. 45. P. 482—488. DOI: 10.1016/j. spmi.2008.11.020.

25. Basahel S.N., Ali T.T., Mokhtar M., Narasimharao K. Influence of crystal structure of nanosized ZrO2 on photocatalytic degradation of methyl orange. Nanoscale Res. Lett. 2015. Vol. 10. P. 73. DOI: 10.1186/s11671-0150780-z.

26. Yashima M., Ohtake K., Arashi H., Kakihana M., Yoshimura M. Determination of cubic-tetragonal phase boundary in Zr1–x YxO2–x/2 solid solutions by Raman spectroscopy. J. Appl. Phys. 1993. Vol. 74. Iss. 12. P. 7603—7605. DOI: 10.1063/1.354989.

27. Céline Viazzi, Jean-Pierre Bonino, Florence Ansart, Antoine Barnabé. Structural study of metastable tetragonal YSZ powders produced via a sol-gel route. J. Alloys Compd. 2008. Vol. 452. No. 2. P. 377—383. DOI: 10.1016/j. jallcom.2006.10.155.

28. Guo L., Zhang Y., Ye F. Phase structure evolution and thermo-physical properties of nonstoichiometry Nd2–xZr2+xO7+x/2 pyrochlore ceramics. J. Am. Ceram. Soc. 2015. Vol. 98 [3]. P. 1013—1018. DOI: 10.1111/jace. 13374.

29. Xu Z., He L., Zhong X., Zhang J., Chen X., Ma H., Cao X. Effects of Y2O3 addition on the phase evolution and thermophysical properties of lanthanum zirconate. J. Alloys Compd. 2009. Vol. 480. No. 2. P. 220—224. DOI: 10.1016/j.jallcom.2009.02.048.


Дополнительные файлы

Для цитирования: Кульметьева В.Б., Вохмянин Д.С. Влияние концентрата редкоземельных элементов на стабилизацию высокотемпературных фаз и свойства керамики на основе ZrO2–7Y2O3. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2019;(1):42-51. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2019-1-42-51

For citation: Kulmetyeva V.B., Vokhmyanin D.S. Influence of the concentrate of rare-earth elements on the stabilization of high-temperature phases and properties of ceramics based on ZrO2–7Y2O3. Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional’nye Pokrytiya (Universitiesʹ Proceedings. Powder Metallurgy аnd Functional Coatings). 2019;(1):42-51. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/1997-308X-2019-1-42-51

Просмотров: 49

Обратные ссылки

  • Обратные ссылки не определены.


ISSN 1997-308X (Print)
ISSN 2412-8767 (Online)