Anwendungen von Thermo-Calc für keramische · PDF fileComputational Thermodynamics...

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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

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    B er

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    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