سنتز و بررسی پایداری حرارتی پوشش های سد حرارتی نانوساختار زیرکونیای پایدار شده با اسکاندیا و سریا(ScCeSZ)

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی نانوفناوری، دانشکده فناوری‌های نوین، دانشگاه علم و صنعت ایران

2 مرکز نانو آپتو الکترونیک، دانشکده فیزیک، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران

3 گروه مهندسی متالورژی و مواد، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهرکرد

چکیده

زیرکونیای پایدار شده با ایتریا(YSZ) یکی از پرکاربردترین پوشش‌های سد حرارتی است. با این حال در دماهای بالاتر از °C1200 فاز پایدار شده تتراگونال به مونوکلینیک تبدیل می‌شود و احتمال ترک در پوشش را افزایش می‌دهد. در این تحقیق پوشش نانوساختار زیرکونیای پایدار شده با اسکاندیا و سریا (ScCeSZ) با روش سل ژل پلیمری سنتز شده و اثر مقادیر مختلف پایدارکننده ­های اسکاندیا و سریا بر پایداری حرارتی آن در C°1400 بوسیله XRD با سرعت اسکن پایین بررسی شده است. با توجه به مقدار فاز منوکلنیک تشکیل شده، مقدار تتراگونالیته و حضور فاز تتراگونال استحاله ناپذیر و فاز مکعبی و همچنین با مقایسه بهترین عملکرد حرارتی، ترکیب بهینه این پوشش با حدود 78/4 درصد مولی اسکاندیا، انتخاب شد. سپس پوشش­ های سد حرارتی نانو ساختار با ترکیب 4.78ScCeSZ به روش پاشش پلاسمای اتمسفری(APS) بر روی نمونه ­هایی از جنس سوپرآلیاژ پایه نیکل(IN738LC) اعمال شدند و پایداری حرارتی آن‌ها پس از شوک حرارتی در دمای °C1000 مورد ارزیابی قرار گرفت. بررسی­ها نشان داد پس از 122 سیکل حرارتی فاز مونوکلینک در ساختار تشکیل نشده، که نشان­دهنده پایداری پوشش است. به نظر می­رسد پوشش اخیر گزینه­ ای مناسبی برای پوشش‌های سد حرارتی توربین گازی و جایگزینی مناسب برای YSZ معمولی باشد.
 

کلیدواژه‌ها


1. L. Pawlowski, The Science and Engineering of Thermal Spray Coatings, John Wiley & Sons Ltd, Ed 2, )2008(.

2. Y. Wang, G. Sayre, Commercial thermal barrier coatings with a double-layer bond coat on turbine vanes and the process repeatability, Surface & Coatings Technology, 203 (2009) 2186–2192.

3. X.Q. Cao, R. Vassen, D. Stoever, Ceramic materials for thermal barrier coatings, Journal of European Ceramic Society 24 (2004) 1–10.

4. M. Loghman-Estarki , R. Shoja-Razavi, H. Edris, Synthesis and Thermal Stability of Nontransformable Tetragonal (ZrO2)0.96(REO1.5)0.04 (RE=Sc3+, Y3+) Nanocrystals, Defect and Diffusion Forum, 334-335 (2013) 60-64.

5. D. Zhu, R. Miller, Development of Advanced Low Conductivity Thermal Barrier Coatings, International Journal of Applied Ceramic Technology, 1 (2004) 86-94.

6. H. Fang, T. Wan, W. Shi and M. Zhang, Design and synthesis of large-pore p6mm mesoporus zirconia thin films templated by a novel block copolymer, Journal of Non-Crystalline Solids, 353(2007)1657–1661.

7. A. Bennett, Properties of thermal barrier coatings. Materials Science and Technology, 2(1986)257–261.

8. J. Wilden and A. Wank. Application study on ceria based thermal barrier coatings, MaterialwissenschaftundWerkstofftechnik, 32(2001)654-659.

9. J. R. Brandon and R. Taylor, Phase-stability of zirconia-based thermal barrier coatings. 2. Zirconia ceria alloys. Surface and Coatings Technology 46(1991)91–101.

10. F.M. Pitek and C.G. Levi, Opportunities for TBCs in the ZrO2–YO1.5–TaO2.5 system, Surface and Coatings Technology, 201(2007)6044–50.

11. R.L. Jones, F.R. Richard and M. Derek, Scandia, yttria-stabilized zirconia for thermal barrier coatings. Surface and Coatings Technology, 82(1996)70-76.

12. S.A. Tsipas, Effect of dopants on the phase stability of zirconia-based plasma sprayed thermal barrier coatings, Journal of the European Ceramic Society, 30(2010)61-72.

13. G. D. Girolamo, C. Blasi, M. Schioppa, L. Tapfer, Structure and thermal properties of heat treated plasma sprayed ceria–yttria co-stabilized zirconia coatings. Ceramics International 36(2010)961-968.

14. R. L. Jones and D. Mess, Improved tetragonal phase stability at 1400 °C with scandia, yttria-stabilized zirconia, Surface and coatings technology, 86(1996)94-101.

15. R. Ruh, H. J. Garrett, R. F. Domagala and V.A. Patel, The System Zirconia‐Scandia. Journal of the American Ceramic Society, 60(1977)399-403.

16. T.S. Sheu, J. Xu and T.Y. Tien, Phase Relationships in the ZrO2Sc2O3 and ZrO2In2O3 Systems, Journal of the American Ceramic Society 76(1993)2027-2032.

17. M. Leoni, R. L. Jones and P. Scardi, Phase stability of scandia–yttria-stabilized zirconia TBCs, Surface and coatings technology, 108(1998)107-113.

18. H. Liu, S. Li, Q.Li and Y. Li, Investigation on the phase stability, sintering and thermal conductivity of Sc2O3–Y2O3–ZrO2 for thermal barrier coating application, Materials and Design, 31.6(2010)2972-2977.

19. M. R. Loghman-Estarki, R. Shoja-Razavi, H. Edris, M. Pourbafrany, H. Jamali and R. Ghasemi, Life time of new SYSZ thermal barrier coatings produced by plasma spraying method under thermal shock test and high temperature treatment, Ceramics International, 40(2014)1405-1414.

20. C.H. Lee, H.K. Kim, H.S. Choi and H.S. Ahn, Phase transformation and bond coat oxidation behavior of plasma-sprayed zirconia thermal barrier coating, Surface and Coatings Technology, 124(2000)1–12.

21. H. P. Dasari, J. S. Ahn, K. Ahn, S. Y. Park, J. Hong and H. Kim, Synthesis, sintering and conductivity behavior of ceria-doped Scandia-stabilized zirconia, Solid State Ionics, 263(2014)103–109.

22. C. N. S. Kumar and R. Bauri, Enhancing the phase stability and ionic conductivity of scandia stabilized zirconia by rare earth co-doping, Journal of Physics and Chemistry of Solids, 75(2014)642-650.

23. G.H Stout and L.H. Jensen, X-Ray Structure Determination, New York, John Wiley and Sons, 2nd edition, 1989.

24. J. R. Brandon and R. Taylor, Phase stability of zirconia-based thermal barrier coatings Part I. Zirconia—yttria alloys, Surface and Coatings Technology, 46(1991)75-90.

25. M.R Loghman-Estarki, M. Hajizadeh-Oghaz, H. Edris and R. Shoja Razavi, Comparative studies on synthesis of nano crystalline Sc2O3–Y2O3 doped zirconia (SYDZ) and YSZ solid solution via modified and classic Pechini method, CrystEngComm, 15(2013)5898-5909.

26. ASTM B0212-99, TestMethodforApparentDensityofFree-Flowing MetalPowdersUsingtheHall flowmeter funnel; 2004.

27. ASTM B213–03, StandardTestMethodforFlowRateofMetalPowders, 2004.

28. A. Cahit, K. Ogawa, A. Turk and I. Ozdemir, Thermal shock and cycling behavior of thermal barrier coatings (TBCs) used in gas turbines. Progress in Gas Turbine Performance, Scitus Academics LLC, 2013, 237-260.

29. G.C.C. Costa and R. Muccillo, Comparative studies on properties of scandia-stabilized zirconia synthesized by the polymeric precursor and the polyacrylamide techniques, Journal of Alloys and Compounds, 503(2010)474–479.

30. C. Viazzi, J. P. Bonino, F. Ansart and A. Barnab, Structural study of metastable tetragonal YSZ powders produced via a sol–gel route, Journal of Alloys and Compounds, 452(2008)377–383.

31. P. Li, I.W. Chen and J. E. Penner-Hahn, Effect of Dopants on Zirconia Stabilization-An X-ray Absorption Study: II, Tetravalent Dopants, Journal of the American Ceramic Society, 75(1994)1281-88.

32. R.C. Garvie,Stabilization of the tetragonal structure in zirconia microcrystals,Journal of Physical Chemistry, 82(1978)218-224.

33. K. Haberko, R. Pampuch, Influence of Yttria Content on Phase Composition and Mechanical Properties of Y-PSZ,Ceramics International, 11(1985)151.

34.R. Pampuch, Proceed. 1st Yougoslav Symposium on Ceramics, Beograd, Srpsko Kemijsko Druzstvo, (1981) 3.

35. T.S Sheu, T.Y. Tien and I.W. Chen, Cubic-to-Tetragonal (t') Transformation in Zirconia-Containing Systems, Journal of the American Ceramic Society, 75(1992)1108-1116.

36. M. R. Loghman-Estarki, H. Edris, R. Shoja-Razavi, H. Jamali, R. Ghasemi, M. Pourbafrany, M. Erfanmanesh and M. Ramezani, Spray drying of nanometric SYSZ powders to obtain plasma sprayable nanostructured granules, Ceramics International, 39(2013)9447–9457.

37. M. R. Loghman-Estarki, R. Shoja-Razavib, H. Edris, M. pourbafrany, H. Jamali and R. Ghasemi, Life time of new SYSZ thermal barrier coatings produced by plasma spraying method under thermal shock test and high temperature treatment, Ceramics International, 40(2014)1405–1414.

38. K. Kokini, J. DeJonge, S. Rangaraj and B. Beardsley, Thermal shock of functionally graded thermal barrier coatings with similar thermal resistance, Surface and Coatings Technology, 154(2002)223–231.

39. G. D. Girolamo, C. Blasi, L. Pagnotta and M. Schioppa, Phase evolution and thermophysical properties of plasma sprayed thick zirconia coatings after annealing, Ceramics International, 36(2010)2273–2280.

40. M. Nejati, M.R. Rahimipour, I. Mobasherpour and A.H. Pakseresht, Microstructural analysis and thermal shock behavior of plasma sprayed ceria-stabilized zirconia thermal barrier coatings with micro and Nano Al2O3 as a third layer, Surface and Coatings Technology, 282(2015)129-138.