19912

2269 دكتري

دكتري

شيمي معدني

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

1403

نه، 109ص. :مصور، جدول، نمودار

1403/08/16

كتابنامه

شيمي

شيمي

1403/08/20

23082482

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.

Superalloys are widely used in high temperature equipment, especially in gas turbine components, including blades and combustion chamber. Using polluted fuels and being in oxidizing environments causes oxidation and corrosion of these superalloys. Zirconia (ZrO2) has three phases, cubic, monoclinic and tetragonal, and its tetragonal phase is widely used as a thermal insulation and corrosion resistant material. In past researches, choosing a doping agent that has low thermal conductivity and resistance to hot and silicate corrosion was considered as a challenge. In this research, zirconia nanoparticles stabilized with three components yttria-ceria-scandia with different weight percentages were synthesized by sol-gel method and then condensed by spark plasma sintering (SPS) method. The corrosion test was performed in two different environments (a mixture of corrosive sodium sulfate and vanadium pentoxide) and an environment containing calcium-magnesium-alumina silicate (CMAS) on the sintered samples. Zirconia phases were determined by Raman spectroscopy and X-ray diffraction (XRD), morphology by field emission scanning electron microscope (FESEM) and chemical analysis by X-ray energy dispersive spectroscopy (EDS). Among the various doped percentages of three stabilizing components in the zirconium oxide nanoparticle lattice, samples (ScCeYSZ)1, (ScCeYSZ)2 and (ScCeYSZ)3 which have the lowest percentage of monoclinic phase and the highest stability of tetragonal phase at high temperature (1600°C) were selected as the optimal samples and the corrosion behavior of these three samples was investigated. The phase and microstructural results after corrosion of sintered samples show the formation of monoclinic phase (m-ZrO2), yttrium vanadate (YVO4) rod crystals and cerium oxide (CeO2) cubic crystals on the surface of sintered ceramic samples. The sample containing 1.8% by weight of scandia, 8.3% by weight of ceria and 1.9% by weight of yttria showed the highest phase stability and resistance to hot corrosion and CMAS. Also, the thermal conductivity of this sample was calculated as 1.2 W/m.K.

فاطمه داور

محمد رضا لقمان

حسن حداد زاده , محمدمحسن مومني هامانه , بهروز موحدي , بهروز موحدي