Efeito do tratamento térmico a alta temperatura na estabilidade de fase e transformação de Yb2O3 e Y2O3 co

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 9955 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

O material cerâmico ZrO2 (YSZ) dopado com Y2O3 é usado para proteger componentes de liga trabalhados em alta temperatura. Mas sua transformação de fase entre a fase tetragonal e a fase monoclínica ocorrida a 1150 °C leva a YSZ inválida. Portanto, aumentar a estabilidade de fase do YSZ é necessário para atender às demandas do desenvolvimento de revestimentos de barreira térmica (TBC). Neste estudo, difração de raios-X e espectros Raman foram usados ​​para explorar a estabilidade de fase e transformação de fase de Yb2O3 e Y2O3 co-dopado ZrO2 (YbYSZ) cerâmica após tratamento térmico a 1300 °C com diferentes tempos. A estabilidade da fase tetragonal é melhorada pela diminuição da tetragonalidade com Yb3+ dopado. Simultaneamente, a incorporação de Yb3+ leva ao acoplamento O-O, o que é benéfico para aumentar a concentração de vacâncias de oxigênio perto dos íons substituídos, melhorando assim a estabilidade do cristal. A cerâmica 6.5YbYSZ tem a melhor estabilidade após tratamento térmico a 1300 °C por diferentes tempos.

Componentes de engenharia mais eficientes para aplicações nas indústrias de energia, automotiva, aeroespacial, eletrônica e de energia são desejados na atual economia mundial competitiva. Os revestimentos de barreira térmica (TBCs) geralmente são usados ​​para proteger os componentes que operam em alta temperatura, corrosão ou outros ambientes hostis1,2. TBCs são compostos de duas camadas importantes: metal bond coat e top coat cerâmico. O metal bond coat sempre usa a liga MCrAlY (M = Ni, Co, Ni + Co, etc.) para proteger os componentes da oxidação e corrosão, enquanto o top coat cerâmico atua como um isolante3,4. Estando em contato direto com o ambiente de trabalho hostil, o acabamento cerâmico deve ter menor difusividade térmica, melhor desempenho na estabilidade de fase e resistência ao choque térmico durante a ciclagem térmica, bem como melhor resistência à oxidação e corrosão5,6. 6–8% em peso Y2O3 ZrO2 parcialmente estabilizado (YSZ) como a escolha mais promissora de acabamento cerâmico mostra excelente desempenho abrangente em condutividade térmica, estabilidade de fase e outros aspectos5,7,8. No entanto, quando a temperatura ambiente de operação excede 1200 °C, a fase tetragonal (t) se transforma na fase monoclínica (m), que é acompanhada por uma expansão de volume de 3 a 5%, levando a trincas prejudiciais nos revestimentos9,10. Além disso, em altas temperaturas (acima de 1200 °C), os poros no interior dos revestimentos YSZ sofrem retração, principalmente aqueles perpendiculares ao fluxo de calor, resultando em um aumento significativo da condutividade térmica dos TBCs11,12,13,14.

Portanto, a pesquisa e o desenvolvimento de condutividade térmica mais baixa e materiais cerâmicos de revestimento superior mais estáveis ​​em altas temperaturas são urgentemente necessários para o desenvolvimento de turbinas a gás de nova geração. Numerosos estudos mostraram que a dopagem de óxidos de terras raras (RE2O3) com diferentes massas atômicas ou raios em sistemas YSZ é um método eficaz para melhorar o desempenho do isolamento térmico e a estabilidade de fase em alta temperatura15,16,17,18,19. Stecura et al.20 exploraram a vida do ciclo térmico do sistema de ZrO2 estabilizado com Yb2O3 a 1120 °C e descobriram que os modos de falha do ciclo térmico de Yb2O3-ZrO2 e Y2O3-ZrO2 eram semelhantes, mas a vida do ciclo térmico de Yb2O3-ZrO2 foi significativamente melhor que o de YSZ. Ao comparar a estabilidade de fase de Yb2O3 e Y2O3 co-estabilizado ZrO2 a 1450 °C, Caireny et al.21 descobriram que a adição de Yb poderia melhorar eficientemente a estabilidade de fase. Jing et al.22 estudaram cerâmicas de ZrO2 estabilizadas com Yb2O3 com 3–10 mol% e descobriram que as cerâmicas consistiam na fase tetragonal metaestável (t') e tinham menor condutividade térmica. Leilei et al.23 estudaram sistematicamente os efeitos de Yb2O3 e Y2O3 co-dopados em ZrO2 sobre a estabilidade de fase e condutividade térmica. Seus resultados mostraram que o ZrO2 co-dopado apresentou melhor estabilidade de fase e menor condutividade térmica do que as cerâmicas de ZrO2 dopadas com Yb2O3 ou Y2O3. Lei e seus colegas16,24,25 prepararam 1 mol% RE2O3 (RE = La, Nd, Gd) e 1 mol% Yb2O3–co-dopado YSZ (1RE1Yb–YSZ) cerâmica e 3,5 mol% RESZ (RE = Dy, Y, Er, Yb) cerâmica por um método de co-precipitação química. Eles descobriram que todas as cerâmicas preparadas eram compostas pela fase t'. A estabilidade de fase e a condutividade térmica de 1RE1Yb–YSZ diminuíram com o aumento do raio do íon RE3+, enquanto a tenacidade à fratura de 3,5 mol% RESZ mostrou a tendência oposta. Além disso, a resistência à corrosão da cerâmica GdYb-YSZ foi melhor que a da YSZ.