سنتز زيركونياي پايدار شده با سه جزء ايتريا، اسكانديا و سريا به روش سل-ژل و بررسي رفتار خوردگي سراميك‌هاي توليدشده به روش تفجوشي پلاسماي جرقه‌اي

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

شيمي

دكتري

سوپرآلياژها، كاربرد گسترده‌اي در تجهيزات دماي بالا به‌خصوص در اجزاي توربين‌هاي گازي از جمله پره‌ها و محفظه احتراق دارند. استفاده از سوخت‌هاي آلوده و حضور در محيط‌هاي اكسيدكننده، موجب اكسايش و خوردگي اين سوپرآلياژها مي‌شود. همچنين در توربين‌هاي گازي براي دستيابي به بازده بالاتر موتور، افزايش دما داخلي گاز موردنياز است. بازده كاري توربين‌هاي گازي وابسته به دماي گاز ورودي به توربين است .بنابراين، يكي از راهكارها براي افزايش دماي كاري موتور توربين، استفاده از مواد عايق گرمايي است. زيركونيا (ZrO2) داراي سه فاز مكعبي، مونوكلينيك و تتراگونال است كه فاز تتراگونال آن به‌طور گسترده به‌عنوان ماده عايق گرمايي و ماده مقاوم در برابر خوردگي مورداستفاده قرار مي‌گيرد. ZrO2 در دماي بالاتر از °C 1000 به دليل تغيير فاز به منوكلينيك و وقوع خوردگي نمي‌تواند استفاده شود. بنابراين براي حل اين مشكل، علاقه پژوهشگران به سمت دوپه كردن اكسيدهاي سراميكي در شبكه زيركونيا براي پايدار كردن فاز تتراگونال جلب شده است. در پژوهش‌هاي گذشته انتخاب عامل دوپه كننده‌اي كه هدايت گرمايي پايين و مقاومت به خوردگي داغ و سيليكاتي مناسبي داشته باشد به‌عنوان چالش محسوب مي‌شد. در اين پژوهش، نانوذرات زيركونياي پايدار شده با سه جزء ايتريا-سريا-اسكانديا (ScCeYSZ) با درصدهاي وزني گوناگون به روش سل-ژل سنتز شدند و سپس به روش تفجوشي پلاسماي جرقه‌اي (SPS) متراكم شدند. آزمون خوردگي در دو محيط گوناگون (مخلوط نمك‌هاي خورنده سديم سولفات و واناديم پنتوكسيد) و محيط حاوي كلسيم-منيزيم-آلومينا سيليكات (CMAS) بر روي نمونه‌هاي تفجوشي شده انجام شد. همچنين نفوذپذيري گرمايي نمونه‌اي با بهترين مقاومت به خوردگي با دستگاه فلش زنون اندازه‌گيري شد. تعيين فازهاي زيركونيا با طيف‌بيني رامان و پراش‌ پرتو ايكس (XRD)، مورفولوژي با ميكروسكوپ الكتروني روبشي گسيل ميداني (FESEM) و تجزيه شيميايي با طيف‌سنجي تفكيك انرژي پرتو X (EDS) موردمطالعه قرار گرفت. از بين درصدهاي گوناگون دوپه شده سه جزء پايداركننده در شبكه نانوذرات زيركونيوم اكسيد، نمونه‌هاي 1(ScCeYSZ)، 2(ScCeYSZ) و 3(ScCeYSZ) با فرمول به ترتيب 1.8 wt.% (Sc2O3) 8.3 wt.% (CeO2) 1.9 wt.% (Y2O3)، 1.1 wt.% (Sc2O3) 9.0 wt.% (CeO2) 1.9 wt.% (Y2O3)، 0.5 wt.% (Sc2O3) 9.6 wt.% (CeO2) 1.9 wt.% (Y2O3) كه كمترين درصد فاز مونوكلينيك و بيشترين پايداري فاز تتراگونال را در دماي بالا (°C 1600) دارند به‌عنوان نمونه‌هاي بهينه انتخاب و رفتار خوردگي سراميك حاصل از اين سه نمونه بررسي شد. همچنين، نتايج خوردگي با سراميك حاصل از تفجوشي نانوپودر زيركونياي پايدار شده با ايتريا (nano 8YSZ) مقايسه شد. چگالي نسبي سه نمونه nano 8YSZ، 1(ScCeYSZ)، 2(ScCeYSZ) و 3(ScCeYSZ) به ترتيب 98، 8/98، 5/99 و %8/99 است. نتايج فازي و ريزساختاري بعد از خوردگي نمونه‌هاي تفجوشي شده، تشكيل فاز مونوكلينيك (m-ZrO2)، بلورهاي ميله‌اي ايتريم وانادات (YVO4) و بلورهاي شبه مكعبي سريم اكسيد (CeO2) را در سطح نمونه سراميك‌هاي تفجوشي شده نشان مي‌دهد. نمونه حاوي 8/1 درصد وزني اسكانديا، 3/8 درصد وزني سريا و 9/1 درصد وزني ايتريا، بيشترين پايداري فازي و مقاومت به خوردگي داغ و CMAS را نشان داد. همچنين ميزان هدايت گرمايي اين نمونه W/m.K 2/1 محاسبه شد.

231666

شيمي معدني

شيمي

دانشگاه صنعتي اصفهان