AnwendungenAnwendungen von Thermovon Thermo--Calc Calc ffüürr
keramischekeramische SystemeSysteme
Hans Hans JürgenJürgen SeifertSeifert
ThermoThermo--Calc Calc AnwendertreffenAnwendertreffen 2008,2008,
AccessAccess, Aachen; 11.09.08, Aachen; 11.09.08
InstitutInstitut fürfür WerkstoffwissenschaftWerkstoffwissenschaft
EinleitungEinleitung
-- Calphad Calphad MethodeMethode
HTHT--StabilitätStabilität von Sivon Si--CC--NN--KeramikenKeramiken
ReaktionenReaktionen derder HochleistungskeramikHochleistungskeramik SiCSiC
-- AdditivsystemAdditivsystem YY22OO33--AlAl22OO33--SiOSiO22
-- KompatibilitKompatibilitäätt von von SiCSiC mitmit YY--SilikatSilikat--SchichtenSchichten
-- ReaktionenReaktionen von SiC/SiOvon SiC/SiO22 mitmit AlAl22OO33
ReaktionenReaktionen vonvon ZrOZrO22
-- mitmit SeltenenSeltenen ErdenErden und Alund Al22OO33
SchlussfolgerungenSchlussfolgerungen
ÜÜbersichtbersicht
AnwendungenAnwendungen von Thermovon Thermo--Calc Calc ffüürr
keramischekeramische SystemeSysteme
Hans Hans JürgenJürgen SeifertSeifert
Computational Thermodynamics
Ab-initio
Berechnungen
Theorie
Quantenmechanik,
Statistische
Thermodynamik
Experimente
DTA, Kalorimetrie,
EMK, Knudsen Effusion,
Metallographie,
Röntgenographie, ...
Modelle
mit anpassbaren
Parametern
Abschätzungen
Anpassung der
Parameter
Phasendiagramme
Gleichgewichte
Datenbank-
speicherung
Graphische
Darstellung
Anwendungen
Thermodyn. Funktionen
G, H, S, C p
O
pt
im
ie
ru
ng
G
le
ic
hg
ew
ic
ht
s-
B
er
ec
hn
un
ge
n
Kinetik
CALculation
of PHAse Diagrams
www.calphad.org
www.sgte.org
Scientific Group
Thermodata Europe
(SGTE)
CALPHAD
• Amorphe, rein homogene anorganische Materialien
• HT-stabil bis 2000°C
• Gute Oxidationsbeständigkeit
Si-B-C-N Precursor-Keramik
Monomer
Precursor-Polymer
Präkeramisches Netzwerk
Amorphe Keramik
Kristalline Keramik
Synthese
Polymerisation (200-400°C)
Thermolyse (1000-1400°C)
Kristallisation ( > 1400°C)
Synthese von Si-(B-)C-N Precursor-Keramiken
Monomer
Polymer
Amorphe Festphase
Polykristalline Keramik
Keramische
Zusammensetzung:
Si1N0.6C1.02
14
84
°C
18
41
°C
NCP200, Polyhydridomethylsilazan (Nichimen Corp., Tokyo, Japan)
N
C SiSiC
Si3N4
Reaktionspfad:
Phasenmengen-Diagramm
Phasenmengen-Diagramm für
Precursor-Keramik NCP200
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
1000 1200 1400 1600 1800 2000
Temperature (°C)
M
as
s
Lo
ss
(%
)
VT50
NCP200
Thermogravimetrische Analyse (TGA) von Si-C-N Precursor-Keramik
BN-Tiegel, 5K/min, N2 (5.0)
1600°C
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
1000 1200 1400 1600 1800 2000
Temperature (°C)
M
as
s
Lo
ss
(%
)
10μm2μm
SiC
Si3N4
SiC
SiC
SiC
Si
Precursor-Keramik NCP200 - REM
TGA bis 2000°CTGA bis 1800°C
EinleitungEinleitung
-- Calphad Calphad MethodeMethode
HTHT--StabilitätStabilität von Sivon Si--CC--NN--KeramikenKeramiken
ReaktionenReaktionen derder HochleistungskeramikHochleistungskeramik SiCSiC
-- AdditivsystemAdditivsystem YY22OO33--AlAl22OO33--SiOSiO22
-- KompatibilitKompatibilitäätt von von SiCSiC mitmit YY--SilikatSilikat--SchichtenSchichten
-- ReaktionenReaktionen von SiC/SiOvon SiC/SiO22 mitmit AlAl22OO33
ReaktionenReaktionen vonvon ZrOZrO22
-- mitmit YY22OO33 und Alund Al22OO33
SchlussfolgerungenSchlussfolgerungen
ÜÜbersichtbersicht
AnwendungenAnwendungen von Thermovon Thermo--Calc Calc ffüürr
keramischekeramische SystemeSysteme
Hans Hans JürgenJürgen SeifertSeifert
Al2O3 Y2O3
Y2O3-Al2O3-SiO2 Schmelzfläche
E1 1459oC
E2 1379oC
Al2O3-Y2O3-SiO2 System, Isothermer Schnitt, 1733 K
Al2O3-Y2O3-SiO2 System, Isothermer Schnitt, 1731 K
Al2O3-Y2O3-SiO2 System, Isothermer Schnitt, 1696 K
Al2O3-Y2O3-SiO2 System, Isothermer Schnitt, 1694 K
Al2O3-Y2O3-SiO2 System, Isothermer Schnitt, 1654 K
Al2O3-Y2O3-SiO2 System, Isothermer Schnitt, 1651 K
EinleitungEinleitung
-- Calphad Calphad MethodeMethode
HTHT--StabilitätStabilität von Sivon Si--CC--NN--KeramikenKeramiken
ReaktionenReaktionen derder HochleistungskeramikHochleistungskeramik SiCSiC
-- AdditivsystemAdditivsystem YY22OO33--AlAl22OO33--SiOSiO22
-- KompatibilitKompatibilitäätt von von SiCSiC mitmit YY--SilikatSilikat--SchichtenSchichten
-- ReaktionenReaktionen von SiC/SiOvon SiC/SiO22 mitmit AlAl22OO33
ReaktionenReaktionen vonvon ZrOZrO22
-- mitmit SeltenenSeltenen ErdenErden und Alund Al22OO33
SchlussfolgerungenSchlussfolgerungen
ÜÜbersichtbersicht
AnwendungenAnwendungen von Thermovon Thermo--Calc Calc ffüürr
keramischekeramische SystemeSysteme
Hans Hans JürgenJürgen SeifertSeifert
Multilagenschichten
CVD-SiC
LPPS-coating
C/C-SiC substrate
200 µm
yttrium silicate SiO2LPPS-Materialien:
Yttriumsilikate
Y2Si2O7 und
Y2SiO5
LPPS: Low Pressure
Plasma Spraying
400 600 800 1000 1200 1400 1600
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
Temperatur [K]
Th
er
m
is
ch
e
A
us
de
hn
un
g
[%
] SiC (Ogura, 1995)
SiC (Aparicio, 2000)
Y Si O
Y SiO
Schichten stabil bis 1650 Schichten stabil bis 1650 °°CC
P: 9.2 P: 9.2 mbarmbar (80 % N(80 % N22, 20 % O, 20 % O22), 30min), 30min
Untersuchung im Untersuchung im PlasmawindkanalPlasmawindkanal
T: > 1650°C P: 9.2 mbar (80 % N2, 20 % O2)
Yttriumsilikate
CVD-SiC
C/C-SiC
Oberfläche
Schnittbild
Untersuchung im Untersuchung im PlasmawindkanalPlasmawindkanal
Potentialdiagramm im
System Y-Si-C-O, 1650°C
Simulation der Reaktionen im Schichtsystem
1.24 bar
T = 1780 °C
Druckentwicklung im System
C-SiC-Y2SiO5-Y2Si2O7
•• EinleitungEinleitung
-- Calphad Calphad MethodeMethode
•• ReaktionenReaktionen von von SiCSiC
-- AdditivsystemAdditivsystem YY22OO33--AlAl22OO33--SiOSiO22
-- KompatibilitKompatibilitäätt von von SiCSiC mitmit YY--SilikatSilikat--SchichtenSchichten
-- ReaktionenReaktionen von SiC/SiOvon SiC/SiO22 mitmit AlAl22OO33
•• ReaktionenReaktionen vonvon ZrOZrO22
-- mitmit YY22OO33 und Alund Al22OO33
-- mitmit SeltenenSeltenen ErdenErden
•• SchlussfolgerungenSchlussfolgerungen
ÜÜbersichtbersicht
ThermodynamischeThermodynamische SimulationenSimulationen ffüürr HochleistungskeramikenHochleistungskeramiken
Hans Hans JürgenJürgen SeifertSeifert
Al2O3SiC / 2wt%SiO2
Vertikaler Schnitt im Si-Al-C-O(-Ar) System
Al2O3SiC / 2wt%SiO2
Vertikaler Schnitt im Si-Al-C-O(-Ar) System
10 Masse% Al2O3
SiC
Mullite
Ionic Liquid
Al2O3
Gas
LM
SiO
CO
Ar
SiO
Ar
CO
3Al2O3·2SiO2 + SiC = 3Al2O3 + 3SiO + CO
Phasenmengendiagramm und Gasphase
1973 K 2123 K
Potentialdiagramme im Si-Al-C-O System
EinleitungEinleitung
-- Calphad Calphad MethodeMethode
HTHT--StabilitätStabilität von Sivon Si--CC--NN--KeramikenKeramiken
ReaktionenReaktionen derder HochleistungskeramikHochleistungskeramik SiCSiC
-- AdditivsystemAdditivsystem YY22OO33--AlAl22OO33--SiOSiO22
-- KompatibilitKompatibilitäätt von von SiCSiC mitmit YY--SilikatSilikat--SchichtenSchichten
-- ReaktionenReaktionen von SiC/SiOvon SiC/SiO22 mitmit AlAl22OO33
ReaktionenReaktionen vonvon ZrOZrO22
-- mitmit SeltenenSeltenen ErdenErden und Alund Al22OO33
SchlussfolgerungenSchlussfolgerungen
ÜÜbersichtbersicht
AnwendungenAnwendungen von Thermovon Thermo--Calc Calc ffüürr
keramischekeramische SystemeSysteme
Hans Hans JürgenJürgen SeifertSeifert
ZrO2-Y2O3 (Thermal Barrier Coating)
MCrALY (Bond Coating)
Ni-Base Superalloy
Thermal Barrier Coatings for
Ni-Base Superalloys
500-2000 μm
50-200 μm
Thermally Grown Oxide
(TGO)
900-1100 °C
T > 1200 °C
M = Ni, Co
ZrO2-Y2O3-Al2O3 system
Freiberg University of Mining and Technology
Institute of Materials Science
Optimisation of thermodynamic functions
in the system ZrO2-YO1.5
a. Phase diagram
b. Activity data
c. Enthalpy of mixing in fluorite solid solution
ZrO2-YO1.5 system
a
b
c
Fabrichnaya et al., 2005
Freiberg University of Mining and Technology
Institute of Materials Scie
