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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