Thermodynamische Untersuchungen und Phasengleichgewichte von Hochleistungsmaterialien für zukünftige Wärmedämmschichten im Materialsystem ZrO2-Y2O3-Ta2O5

LE 3727/1-1

Bild Forschungsprojekt
Laufzeit: 01.08.2016 - 31.07.2019
Geldgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Bearbeiter: Dr. Maren Lepple
Arbeitsgruppe: Hochtemperaturwerkstoffe

Die Erhöhung der Betriebstemperatur steigert die Effizienz von Turbinen, was durch den Einsatz von verbesserten Wärmedämmschichten erreicht werden kann. Hierbei ist das quasi-ternäre System ZrO2-Y2O3-Ta2O5 ein vielversprechendes Materialsystem, da es einen ausgedehnten tetragonalen Phasenbereich aufweist, der bei erhöhten Temperaturen von über 1500 °C stabil ist. Die Stabilisierung der tetragonalen Phase wird durch äquimolare Dotierung von ZrO2 mit YO1.5 und TaO2.5 erreicht.  Zusammensetzungen in dem tetragonalen Phasengebiet zeigen darüber hinaus ausgezeichnete Eigenschaften, wie geringe Wärmeleitfähigkeit, gute Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit. In der Literatur wurden jedoch bisher keine systematischen Untersuchungen in diesem tetragonalen Phasengebiet durchgeführt, da die Untersuchung des gesamten Zusammensetzungsbereichs ein zeitintensives Unterfangen darstellt. Deshalb werden hochentwickelte Modellierungs- und Simulationsmethoden benötigt, um die Entwicklungszeit zu verkürzen.

Das Ziel diese Projekts ist die Aufklärung des Stabilisierungsmechanismus der tetragonalen Phase entlang der äquimolaren Dotierungslinie im ZrO2-Y2O3-Ta2O5 System durch Kombination von thermochemischen sowie Phasendiagrammuntersuchungen mit computergestützer Thermodynamik unter Berücksichtigung von Kristallstrukturinformationen. Damit soll ein bedeutender Beitrag zum Verständnis von Phasenstabiltäten von Hochtemperaturmaterialien für die Anwendung als Wärmedämmschichten geleistet werden.

Die Energetik im tetragonalen Phasengebiet wird mit Schlüsselexperimenten in Kombination mit konsistenten thermodynamischen Modellen im mehrkomponentigen Materialsystem untersucht. Standard-Bildungsenthalpien von Proben im stabilen bzw. metastabilen Zustand werden aus Lösungsenthalpien abgeleitet, die durch Hochtemperatur-Lösungskalorimetrie erhalten werden. Phasenstabilitäten, Umwandlungsenthalpien und T0-Temperaturen werden mit thermischer Analyse ermittelt und in Zusammenhang mit den Stabilisierungseffekten gebracht. Darüber hinaus werden die Wärmekapazitäten mittels Dynamischer Differenz-Kalorimetrie gemessen, da diese für das Verständnis des thermischen Verhaltens der Zusammensetzungen wichtig sind und die Temperaturabhängigkeit der Gibbs Energien direkt beeinflussen. Die experimentellen Ergebnisse fließen in die thermodynamische Modellierung des mehrkomponentigen Systems ein, um ein tiefes Verständnis der Stabilisierungseffekte, Phasenzusammenhänge und Konstitution zu erhalten.

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Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - LE 3727/1-1

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