고온 열처리가 Yb2O3 및 Y2O3 co의 상안정성과 변태에 미치는 영향

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 9955(2022) 이 기사 인용

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Y2O3 도핑된 ZrO2(YSZ) 세라믹 소재는 고온에서 가공되는 합금 부품을 보호하는 데 사용됩니다. 그러나 정방정계 상과 단사정계 상 사이의 상 변환은 1150°C에서 발생하여 YSZ가 유효하지 않게 됩니다. 따라서 열 차단 코팅(TBC) 개발 요구를 충족시키기 위해서는 YSZ의 상 안정성 향상이 필요합니다. 본 연구에서는 X선 회절과 라만 스펙트럼을 사용하여 1300°C에서 서로 다른 시간에 걸쳐 열처리한 Yb2O3 및 Y2O3 공동 도핑 ZrO2(YbYSZ) 세라믹의 상 안정성과 상 변형을 조사했습니다. 정방정계 상의 안정성은 Yb3+ 도핑으로 정방정계가 감소함으로써 향상됩니다. 동시에, Yb3+의 결합은 O-O 결합을 유도하며, 이는 치환된 이온 근처의 산소 결손 농도를 증가시켜 결정의 안정성을 향상시키는 데 유리합니다. 6.5YbYSZ 세라믹은 1300°C에서 다양한 시간 동안 열처리한 후 최고의 안정성을 갖습니다.

현재 경쟁이 치열한 세계 경제에서는 에너지, 자동차, 항공우주, 전자 및 전력 산업 분야의 응용 분야를 위한 보다 효율적인 엔지니어링 구성 요소가 필요합니다. 열차폐 코팅(TBC)은 일반적으로 고온, 부식 또는 기타 열악한 환경에서 작동하는 구성 요소를 보호하는 데 사용됩니다1,2. TBC는 금속 본드 코팅과 세라믹 탑 코팅이라는 두 가지 중요한 층으로 구성됩니다. 금속 본드 코팅은 항상 MCrAlY(M = Ni, Co, Ni + Co 등) 합금을 사용하여 부품을 산화 및 부식으로부터 보호하는 반면, 세라믹 탑 코팅은 절연체 역할을 합니다3,4. 열악한 작업 환경에 직접적으로 접촉하는 세라믹 탑코트는 열 확산도가 낮고, 열 사이클링 중 상 안정성과 열충격 저항에 대한 더 나은 성능은 물론 더 나은 산화 및 부식 저항성을 가져야 합니다5,6. 6~8wt% Y2O3 부분적으로 안정화된 ZrO2(YSZ)는 세라믹 탑 코팅의 가장 유망한 선택으로 열 전도성, 상 안정성 및 기타 측면에서 뛰어난 종합 성능을 보여줍니다5,7,8. 그러나 작동 주변 온도가 1200°C를 초과하면 정방정계(t) 상이 단사정계(m) 상으로 변환되고, 이는 3~5%의 부피 팽창을 동반하여 코팅에 해로운 균열을 초래합니다9,10. 더욱이, 고온(1200°C 초과)에서는 YSZ 코팅 내부의 기공, 특히 열 흐름에 수직인 기공이 수축되어 TBC의 열전도도가 크게 증가합니다.

따라서 차세대 가스터빈 개발을 위해서는 열전도도가 낮고 고온에서 안정적인 상도 세라믹 소재에 대한 연구개발이 시급히 필요하다. 수많은 연구에 따르면 원자 질량이나 반경이 다른 희토류 산화물(RE2O3)을 YSZ 시스템에 도핑하는 것이 단열 성능과 고온 상 안정성을 향상시키는 효과적인 방법인 것으로 나타났습니다. Stecura et al.20은 1120°C에서 Yb2O3 안정화 ZrO2 시스템의 열주기 수명을 조사한 결과 Yb2O3-ZrO2와 Y2O3-ZrO2의 열주기 실패 모드는 유사하지만 Yb2O3-ZrO2의 열주기 수명은 상당히 높다는 것을 발견했습니다. YSZ보다 낫습니다. 1450°C에서 Yb2O3와 Y2O3 공동 안정화 ZrO2의 상 안정성을 비교함으로써 Caireny et al.21은 Yb의 첨가가 상 안정성을 효율적으로 향상시킬 수 있음을 발견했습니다. Jing et al.22은 3-10 mol% Yb2O3 안정화 ZrO2 세라믹을 연구하여 세라믹이 준안정 정방정계 상(t')으로 구성되고 더 낮은 열전도도를 갖는다는 것을 발견했습니다. Leilei et al.23은 ZrO2에 공동 도핑된 Yb2O3와 Y2O3가 상 안정성과 열전도도에 미치는 영향을 체계적으로 연구했습니다. 그들의 결과는 공동 도핑된 ZrO2가 Yb2O3 또는 Y2O3 도핑된 ZrO2 세라믹보다 더 나은 상 안정성과 낮은 열전도도를 가짐을 보여주었습니다. Lei와 그의 동료들은 1 mol% RE2O3(RE = La, Nd, Gd) 및 1 mol% Yb2O3 공동 도핑된 YSZ(1RE1Yb-YSZ) 세라믹과 3.5 mol% RESZ(RE = Dy, Y, Er, Yb) 화학적 공침법에 의한 세라믹. 그들은 준비된 모든 세라믹이 t'상으로 구성되어 있음을 발견했습니다. 1RE1Yb-YSZ의 상안정성과 열전도도는 RE3+ 이온 반경이 ​​증가함에 따라 감소하는 반면, 3.5mol% RESZ의 파괴인성은 반대 경향을 보였다. 또한, GdYb-YSZ 세라믹의 내식성은 YSZ의 세라믹보다 우수하였다.