Изменение структурно-фазового состояния многослойной керамики Zr-Y-O/Si-Al-N под действием высокой температуры

Циркониевая керамика занимает ведущее место среди огнеупорных конструкционных материалов, поскольку сохраняет высокие механические свойства до температур, составляющих 0,8-0,9Тпл, равной 3173 К. Именно поэтому покрытия на основе диоксида циркония ZrO₂ используются главным образом, как теплозащитные покрытия в горячих секциях турбин и в других машинных узлах.

Механические свойства керамики на основе диоксида циркония, как известно, это функция фазового состава и структуры.

Представляет значительный интерес исследовать структурно-фазовые изменения в покрытии на основе Zr-Y-O/Si-Al-N, происходящие при высоких температурах для прогнозирования поведения при эксплуатации этих покрытий в реальных условиях.

Установлено, что при высокотемпературных исследованиях методами рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии в режиме «in situ» в слое Zr-Y-O многослойного покрытия на основе Zr-Y-O/Si-Al-N в интервале температур 400-500?С, изменяется размер зерна и области когерентного рассеяния. Как результат, появляются внутренние упругие напряжения, что приводит к мартенситному фазовому превращению тетрагональной фазы в моноклинную.

На рисунке 1 приведены зависимости среднего размера зерна (определенные двумя методами), областей когерентного рассеяния, кривизны кручения кристаллической решетки от температуры нагрева.

Рисунок 1. Зависимость среднего размера зерна (кривые 1, 2), областей когерентного рассеяния (кривая 3), кривизны кручения кристаллической решетки (кривая 4) от температуры нагрева

Видно, что основные структурные изменения имеют место в области температур 400-500?С, в то время как в соответствии с равновесной фазовой диаграммой фазовый переход тетрагональной фазы в моноклинную происходит при температуре 1200?С. Установлено, что после охлаждения образуется не трансформируемая тетрагональная фаза t'-ZrO₂ с малым параметром кристаллической решетки (a = 3,64 A c = 5,27 A).

Термоциклическая стойкость многослойных покрытий Zr-Y-O/Si-Al-N примерно в два раза выше, по сравнению с однослойным покрытием Zr-Y-O.

Результаты опубликованы в статье: Marina Fedorischeva, Mark Kalashnikov, Irina Bozhko, Tamara Dorofeeva and Victor Sergeev «Structural-Phase Change of Multilayer Ceramics Zr-Y-O/Si-Al-N under High Temperature», 2023, 6, 1227-1237.
https://doi.org/10.3390/ceramics6020074.