Влияние термообработки на структуру и механические свойства кристаллов диоксида циркония, частично стабилизированных оксидом самария

Проведено исследование влияния высокотемпературной термообработки в разных средах на фазовый состав, микротвердость и вязкость разрушения кристаллов (ZrO₂)_1-х(Sm₂O₃)_х при x = 0,02÷0,06. Кристаллы выращены методом кристаллизации из расплава в холодном контейнере. Термообработку кристаллов проводили при температуре 1600 °С в течение 2 ч на воздухе и в вакууме. Исследования фазового состава выполнены методами рентгеновской дифрактометрии и спектроскопии комбинационного рассеяния света. Показано, что катионы самария входят в решетку ZrO₂ преимущественно в трехвалентном зарядовом состоянии и не меняют своего зарядового состояния после отжига на воздухе и в вакууме. Изменение фазового состава после отжига наблюдали во всех кристаллах, кроме состава (ZrO₂)_0,94(Sm₂O₃)_0,06. После отжига на воздухе и в вакууме кристаллы (ZrO₂)_1-x(Sm₂O₃)_x при 0,002 ≤ x ≤ 0,05 содержали моноклинную фазу. В кристаллах (ZrO₂)_0,94(Sm₂O₃)_0,06 присутствовали две тетрагональные фазы t и t´ с разной степенью тетрагональности. После отжига кристаллов (ZrO₂)_0,94(Sm₂O₃)_0,06 на воздухе и в вакууме изменение параметров решетки фаз t и t´ имеет разнонаправленный характер, что приводит к увеличению степени терагональности t-фазы и уменьшению степени тетрагональности t´-фазы. Изменение микротвердости и вязкости разрушения кристаллов связано с изменениями фазового состава кристаллов после отжига и зависит от концентрации Sm₂O₃ в твердых растворах. Образование моноклинной фазы в кристаллах (ZrO₂)_1-х(Sm₂O₃)_х при 0,037 ≤ x ≤ 0,05 обуславливает существенное уменьшение значений микротвердости и вязкости разрушения кристаллов. Для кристаллов (ZrO₂)_0,94(Sm₂O₃)_0,06 отжиг приводит к более эффективному действию механизмов упрочнения и, таким образом, к увеличению вязкости разрушения. Показано, что для кристаллов (ZrO₂)_0,94(Sm₂O₃)_0,06 отжиг на воздухе и в вакууме приводит к увеличению значений вязкости разрушения кристаллов в 1,5 раза по сравнению с ростовыми кристаллами.

1. Basu R.N. Materials for solid oxide fuel cells. In: Basu S. (Eds). Recent trends in fuel cell science and technology. New York, NY: Springer; 2007. P. 286—331. https://doi.org/10.1007/978-0-387-68815-2_12

2. Clarke D.R., Oechsner M., Padture N.P. Thermal-barrier coatings for more efficient gas-turbine engines. MRS Bulletin. 2012; 37(10): 891—898. https://doi.org/10.1557/mrs.2012.232

3. Yildirim H., Pachter R. Extrinsic dopant effects on oxygen vacancy formation energies in ZrO2 with implication for memristive device performance. ACS Applied Electronic Materials. 2019; 1(4): 467—477. https://doi.org/10.1021/acsaelm.8b00090

4. Hongsong Z., Jianguo L., Gang L., Zheng Z., Xinli W. Investigation about thermophysical properties of Ln2Ce2O7 (Ln = Sm, Er and Yb) oxides for thermal barrier coatings. Materials Research Bulletin. 2012; 47(12): 4181—4186. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2012.08.074

5. Guo L., Guo H., Ma G., Gong S., Xu H. Phase stability, microstructural and thermo-physical properties of BaLn2Ti3O10 (Ln = Nd and Sm) ceramics. Ceramics International. 2013; 39(6): 6743—6749. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2013.02.003

6. Wei X., Hou G., An Y., Yang P., Zhao X., Zhou H., Chen J. Effect of doping CeO2 and Sc2O3 on structure, thermal properties and sintering resistance of YSZ. Ceramics International. 2021; 47(5): 6875—6883. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.11.032

7. Liu X.Y., Wang X.Z., Javed A., Zhu C., Liang G.Y. The effect of sintering temperature on the microstructure and phase transformation in tetragonal YSZ and LZ/YSZ composites. Ceramics International. 2016; 42(2): 2456—2465. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2015.10.046

8. Evans A.G., Mumm D.R., Hutchinson J.W., Meier G.H., Pettit F.S. Mechanisms controlling the durability of thermal barrier coatings. Progress in Materials Science. 2001; 46(5): 505—553. https://doi.org/10.1016/S0079-6425(00)00020-7

9. Vaßen R., Jarligo M.O., Steinke T., Mack D.E., Stöver D. Overview on advanced thermal barrier coatings. Surface and Coatings Technology. 2010; 205(4): 938—942. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2010.08.151

10. Bahamirian M., Hadavi S.M.M., Farvizi M., Rahimipour M.R., Keyvani A. Phase stability of ZrO2 9.5Y2O3 5.6Yb2O3 5.2Gd2O3 compound at 1100 °C and 1300 °C for advanced TBC applications. Ceramics International. 2019; 45(6): 7344—7350. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.01.018

11. Bobzin K., Zhao L., Öte M., Königstein T. A highly porous thermal barrier coating based on Gd2O3–Yb2O3 co-doped YSZ. Surface and Coatings Technology. 2019; 366: 349—354. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.03.064

12. Shi Q., Yuan W., Chao X., Zhu Z. Phase stability, thermal conductivity and crystal growth behavior of RE2O3 (RE = La, Yb, Ce, Gd) co-doped Y2O3 stabilized ZrO2 powder. Journal of Sol-Gel Science and Technology. 2017; 84(1): 341—348. https://doi.org/10.1007/s10971-017-4483-z

13. Chen D., Wang Q., Liu Y., Ning X. Microstructure, thermal characteristics, and thermal cycling behavior of the ternary rare earth oxides (La2O3, Gd2O3, and Yb2O3) co-doped YSZ coatings. Surface and Coatings Technology. 2020; 403:v126387. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.126387

14. Sharma A., Witz G., Howell P.C., Hitchman N. Interplay of the phase and the chemical composition of the powder feedstock on the properties of porous 8YSZ thermal barrier coatings. Journal of the European Ceramic Society. 2021; 41(6): 3706—3716. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2020.10.062

15. Bisson J.F., Fournier D., Poulain M., Lavigne O., Mévrel R. Thermal conductivity of yttria-zirconia single crystals, determined with spatially resolved infrared thermography. Journal of the American Ceramic Society. 2000; 83(8): 1993—1998. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.2000.tb01502.x

16. Fan W., Wang Z.Z., Bai Y., Che J.W., Wang R.J., Ma F., Tao W.Z., Liang G.Y. Improved properties of scandia and yttria co-doped zirconia as a potential thermal barrier material for high temperature applications. Journal of the European Ceramic Society. 2018; 38(13): 4502—4511. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2018.06.002

17. Raghavan S., Wang H., Porter W.D., Dinwiddie R.B, Mayo M.J. The effect of grain size, porosity and yttria content on the thermal conductivity of nanocrystalline zirconia. Scripta Materialia. 1998; 39(8): 1119—1125.

18. Loganathan A., Gandhi A.S. Toughness evolution in Gd-and Y-stabilized zirconia thermal barrier materials upon high-temperature exposure. Journal of Materials Science. 2017; 52: 7199—7206. https://doi.org/10.1007/s10853-017-0956-2

19. Ponnuchamy M.B., Gandhi A.S. Phase and fracture toughness evolution during isothermal annealing of spark plasma sintered zirconia co-doped with Yb, Gd and Nd oxides. Journal of the European Ceramic Society. 2015; 35(6): 1879—1887. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2014.12.027

20. Rebollo N.R., Gandhi A.S., Levi C.G. Phase stability issues in emerging TBC systems. High Temperature Corrosion and Materials Chemistry IV. 2003: 431—442.

21. Borik M.A., Chislov A., Kulebyakin A., Lomonova E., Milovich F., Myzina V., Ryabochkina P., Sidorova N., Tabachkova N. Phase composition and mechanical properties of Sm2O3 partially stabilized zirconia crystals. Crystals. 2022; 12(11): 1630. https://doi.org/10.3390/cryst12111630

22. Niihara K.A fracture mechanics analysis of indentation-induced Palmqvist crack in ceramics. Journal of Materials Science Letters. 1983; 2: 221—223. https://doi.org/10.1007/BF00725625

23. Chien F.R., Ubic F.J., Prakash V., Heuer A.H. Stress-induced martensitic transformation and ferroelastic deformation adjacent microhardness indents in tetragonal zirconia single crystals. Acta Materialia. 1998; 46(6): 2151—2171. https://doi.org/10.1016/S1359-6454(97)00444-8