Hochleistungsmaterialien für Wärmedämmschichten der nächsten Generation im System ZrO₂-HfO₂-Y₂O₃-Ta₂O₅

Doktorandin: Alina Habermann

Wärmedämmschichten (WDS, engl. thermal barrier coatings (TBCs)) werden hauptsächlich eingesetzt, um Komponenten in der heißen Zone in Gasturbinen und Dieselmotoren vor hohen Temperaturen und aggressiven Umwelteinflüssen zu schützen.^[1] Um eine lange Lebensdauer der WDS zu gewährleisten, müssen diese Materialien folgende Eigenschaften erfüllen: niedrige Wärmeleitfähigkeit, Phasenstabilität bei hohen Temperaturen, hohe Kompatibilität mit Al₂O₃, hohe Bruchzähigkeit und Korrosionsbeständigkeit.^[2] Außerdem sollten Phasenumwandlungen im Temperaturfenster des Prozesses vermieden werden, da durch Bildung von Rissen die Integrität der Schutzschicht gefährdet wird.^[1]

Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumdioxid ist derzeit das am häufigsten verwendete Material für Hochtemperaturanwendungen. Im reinen ZrO₂ findet während der Abkühlung ein Phasenübergang von tetragonal zu monoklin statt. Diese Phasenumwandlung kann vermieden werden, indem stabilisierende Verbindungen, wie z.B. Y₂O₃, hinzugegeben werden. Durch die Zugabe von Y₂O₃ erreicht das ZrO₂-Gitter eine höhere Tetragonalität über einen weiteren Temperaturbereich im Vergleich zum reinen ZrO₂-Gitter. Durch die Dotierung mit Y₂O₃ werden Sauerstoffleerstellen zum Ladungsausgleich gebildet und die tetragonale Verzerrung des Gitters stabilisiert.^[1,3] Aufgrund der sich aus der Bildung einer metastabilen tetragonalen Phase ergebenden herausragenden Eigenschaften ist 6-8 Gew.-% Yttriumoxid‑stabilisiertes Zirkoniumdioxid das verbreiteste Material für WDS.^[2] Um die Tetragonalität des ZrO₂-Gitters weiterhin zu erhöhen, werden Dotierungen mit kleineren Kationen oder Kationen mit höherer Oxidationsstufe als Zr⁴⁺ (z.B. Ti⁴⁺, Nb⁵⁺, Ta⁵⁺) eingesetzt. Darüber hinaus sollte die Zugabe von Hf⁴⁺ die Bruchzähigkeit sowie die Phasen- und Strukturstabilität im ZrO₂-Gitter bei Temperaturen von bis zu 1700 °C erhöhen und eine niedrige Wärmeleitfähigkeit über 1100 °C erzeugen.^[4] Somit ist das ZrO₂-HfO₂-Y₂O₃-Ta₂O₅-Materialsystem aufgrund seiner Phasenstabilität bei hohen und niedrigen Temperaturen und seiner Wärmeleitfähigkeit von großem Interesse für zukünftige WDS (Abbildung 1).

Abbildung 1: Jahrzehnte lange Entwicklung verschiedener Arten von WDS (nach N. Padture, Nature Materials 2016).

In diesem Projekt wird eine systematische thermodynamische Untersuchung des Materialsystems ZrO₂-HfO₂-Y₂O₃-Ta₂O₅ in Zusammenarbeit mit der TU Bergakademie Freiberg durchgeführt. Als Syntheserouten werden Festkörper‑ und Fällungsreaktionen mit anschließender Kalzinierung durchgeführt. Um Informationen über die Phasengleichgewichte, thermodynamische und thermophysikalische Daten sowie verschiedenen anwendungsrelevanten Eigenschaften der Zusammensetzungen zu erhalten, werden Charakterisierungsmethoden wie Röntgenbeugung, Rasterelektronenmikroskopie, energiedispersive Röntgenspektroskopie, dynamische Differenz-Kalorimetrie, Differenz‑Thermoanalyse und Laser‑Flash Messungen durchgeführt. Aus diesen thermodynamischen Daten wird mit der CALPHAD (CALcualtion of PHAse Diagrams) Methode eine selbstkonsistente Datenbank erstellt. Mit Hilfe dieser Datenbank können Phasendiagramme modelliert werden (z.B. Abbildung 2).

Abbildung 2: Quasi-ternäres Phasendiagramm des isothermen Bereichs für das System ZrO₂‑YO_1,5‑TaO_2,5 bei 1500 °C.^[5]

weitere Informationen

Quellenangabe:

[1] Song, X.; Xie, M.; An, S.; Hao, X.; Mu, R. Structure and thermal properties of ZrO₂-Ta₂O₅-Y₂O₃-LnO₃ (Ln = Nd, Sm or Gd) ceramics for thermal barrier coatings. Scr. Mater. 2010, 62, 879-882.

[2] Limarga, A. Shian, S.; Leckie, R.; Levi, C.; Clarke, D. Thermal conductivity of single- and multi-phase compositions in the ZrO₂-Y₂O₃-Ta₂O₅ system. J. Eur. Ceram. Soc. 2014, 34, 3085-3094.

[3] Li, P.; Chen, I.-W.; Penner-Hahn, J. Effect of Dopants on Zirconia Stabilization – An X‑ray Absorption Study: II, Tetravalent Dopants. J. Am. Ceram. Soc. 1994, 77, 1281-1288.

[4] Doronin, O.; Artemenko, P.; Stekhov, P.; Marakhovskii, P.; Stolyarova, V.; Vorozhtsov, V. Physicochemical Properties of Gd₂O₃-ZrO₂-HfO₂ Ceramics as Promising Thermal Barrier Coatings. Russ. J. Inorg. Chem. 2022, 67, 732-739.

[5] Macauley, C.; Fernandez, A.; Levi, C. Phase Equilibria in the ZrO₂‑YO_1.5‑TaO_2.5 system at 1500 °C J. Eur. Ceram. Soc. 2017, 37, 4888-4901.

Diese Projekt wird gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (Projektnr.: 314579101).