Anwendungen Anwendungen von Thermo von Thermo - - Calc Calc f f ü ü r r keramische keramische Systeme Systeme Hans Hans Jürgen Jürgen Seifert Seifert Thermo Thermo - - Calc Calc Anwendertreffen Anwendertreffen 2008, 2008, Access Access , Aachen; 11.09.08 , Aachen; 11.09.08 Institut Institut für für Werkstoffwissenschaft Werkstoffwissenschaft
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Anwendungen von Thermo-Calc für keramische Systemeweb.access.rwth-aachen.de/THERMOCALC/proceedings/proceedings2008/... · Computational Thermodynamics Ab-initio Berechnungen Theorie
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AnwendungenAnwendungen von Thermovon Thermo--Calc Calc ffüürrkeramischekeramische SystemeSysteme
-- 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 ffüürrkeramischekeramische SystemeSysteme
Hans Hans JürgenJürgen SeifertSeifert
Computational Thermodynamics
Ab-initioBerechnungen
TheorieQuantenmechanik,
StatistischeThermodynamik
ExperimenteDTA, Kalorimetrie,
EMK, Knudsen Effusion,Metallographie,
Röntgenographie, ...
Modellemit anpassbaren
Parametern
Abschätzungen
Anpassung derParameter
Phasendiagramme
Gleichgewichte
Datenbank-speicherung
GraphischeDarstellung
Anwendungen
Thermodyn. FunktionenG, H, S, C p
Opt
imie
rung
Gle
ichg
ewic
hts-
Ber
echn
unge
n
Kinetik
CALculationof PHAse Diagrams
www.calphad.orgwww.sgte.org
Scientific GroupThermodata 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
KeramischeZusammensetzung:Si1N0.6C1.02
1484
°C
1841
°C
NCP200, Polyhydridomethylsilazan (Nichimen Corp., Tokyo, Japan)
N
C SiSiC
Si3N4
Reaktionspfad:
Phasenmengen-Diagramm
Phasenmengen-Diagramm fürPrecursor-Keramik NCP200
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
1000 1200 1400 1600 1800 2000Temperature (°C)
Mas
s Lo
ss (%
)
VT50
NCP200
Thermogravimetrische Analyse (TGA) von Si-C-N Precursor-Keramik
-- 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 ffüürrkeramischekeramische 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
-- 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 ffüürrkeramischekeramische SystemeSysteme
•• ReaktionenReaktionen von von SiCSiC-- AdditivsystemAdditivsystem YY22OO33--AlAl22OO33--SiOSiO22
-- KompatibilitKompatibilitäätt von von SiCSiC mitmit YY--SilikatSilikat--SchichtenSchichten-- ReaktionenReaktionen von SiC/SiOvon SiC/SiO22 mitmit AlAl22OO33
-- 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 ffüürrkeramischekeramische SystemeSysteme
Hans Hans JürgenJürgen SeifertSeifert
ZrO2-Y2O3 (Thermal Barrier Coating)
MCrALY (Bond Coating)
Ni-Base Superalloy
Thermal Barrier Coatings forNi-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 TechnologyInstitute of Materials Science
Optimisation of thermodynamic functionsin the system ZrO2-YO1.5a. Phase diagramb. Activity datac. Enthalpy of mixing in fluorite solid solution
ZrO2-YO1.5 systema
b
c
Fabrichnaya et al., 2005
Freiberg University of Mining and TechnologyInstitute of Materials Science
Freiberg University of Mining and TechnologyInstitute of Materials Science
Isothermal sections of the ZrO2-Y2O3-Al2O3 system
Liquidus surface of the ZrO2-Y2O3-Al2O3 system
Calculations Experimental data [97Lak]
Freiberg University of Mining and TechnologyInstitute of Materials Science
- Thermodynamische Modellierung von keramischenLösungsphasen mit dem Compound Energy Formalismus
- Thermodynamische Optimierung der Keramiksysteme
- Reaktionsanalyse der hochkomponentigen Multiphasensysteme
Computational Thermodynamics und Calphad als Werkzeug zur effizientenWerkstoffanalyse und Optimierung
Schlussfolgerungen
Isothermal section of the ZrO2-La2O3-Y2O3 system
33.33 ZrO2 16.66 Y2O3 50 La2O3
B-Phase: WhiteLaYP: GreyPyrochlore: Dark
Freiberg University of Mining and TechnologyInstitute of Materials Science
Phase fraction diagram for the ZrO2-La2O3-Y2O3 system
Composition in mol%: ZrO2 33.33, Y2O3 20.83 La2O3 45.83
Freiberg University of Mining and TechnologyInstitute of Materials Science
Liquidus surface for the ZrO2-Nd2O3-Al2O3 system
Calculated in this work Experimental data from [2006Lak]
Fabrichnaya et al., 2008
Freiberg University of Mining and TechnologyInstitute of Materials Science
Technische Universität Bergakademie FreibergInstitute of Materials Science
T0-lines in the ZrO2-GdYO3 and ZrO2-Gd2O3-Y2O3 systems
T0-lines in the ZrO2-GdYO3 and ZrO2-Gd2O3-Y2O3 systems
- Damian Cupid
- Deutsche Forschungsgemeinschaft
Dank an
- Dr. Olga Fabrichnaya
- Department of Energy, USA
- Galina Savinykh
YAM Y4Al2O9
YAM (ss) Y4(Al,Si)2-xO9+x
(Y+3)4(Al+3, Si+4)2(O-2, Va)1(O-2)9
YAM (ss)
Vier Untergitter definiert
Y4(Al,Si)2-xO9+x
Al2O3-Y2O3-SiO2 System, Isothermer Schnitt, 1733 K
“Compound Energy” Formalismus –Freie Enthalpie der Lösungsphasen