Циркониевая керамика занимает ведущее место среди огнеупорных конструкционных материалов, поскольку сохраняет высокие механические свойства до температур, составляющих 0,8–0,9Тпл, равной 3173 К. Именно поэтому покрытия на основе диоксида циркония ZrO₂ используются главным образом, как теплозащитные покрытия в горячих секциях турбин и в других машинных узлах.

Механические свойства керамики на основе диоксида циркония, как известно, это функция фазового состава и структуры.

Представляет значительный интерес исследовать структурно-фазовые изменения в покрытии на основе Zr-Y-O/Si-Al-N, происходящие при высоких температурах для прогнозирования поведения при эксплуатации этих покрытий в реальных условиях.

Ученые Института физики прочности и материаловедения СО РАН (ИФПМ СО РАН) и Национального исследовательского Томского политехнического университета установили, что при высокотемпературных исследованиях методами рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии в режиме «in situ» в слое Zr-Y-O многослойного покрытия на основе Zr-Y-O/Si-Al-N в интервале температур 400–500 ºС, изменяется размер зерна и области когерентного рассеяния. Как результат, появляются внутренние упругие напряжения, что приводит к мартенситному фазовому превращению тетрагональной фазы в моноклинную.

На рисунке 1 приведены зависимости среднего размера зерна (определенные двумя методами), областей когерентного рассеяния, кривизны кручения кристаллической решетки от температуры нагрева.

Видно, что основные структурные изменения имеют место в области температур 400-500ºС, в то время как в соответствии с равновесной фазовой диаграммой фазовый переход тетрагональной фазы в моноклинную происходит при температуре 1200 ºС. Установлено, что после охлаждения образуется не трансформируемая тетрагональная фаза t'-ZrO₂ с малым параметром кристаллической решетки (a = 3,64 Å c = 5,27 Å).

Термоциклическая стойкость многослойных покрытий Zr-Y-O/Si-Al-N примерно в два раза выше, по сравнению с однослойным покрытием Zr-Y-O.

Результаты опубликованы в статье: Marina Fedorischeva, Mark Kalashnikov, Irina Bozhko, Tamara Dorofeeva and Victor Sergeev «Structural-Phase Change of Multilayer Ceramics Zr-Y-O/Si-Al-N under High Temperature», 2023, 6, 1227-1237. https://doi.org/10.3390/ceramics6020074.

Источник: Институт физики прочности и материаловедения
Сибирского отделения
Российской академии наук.