Corrosion of ZrO2 by slags and melts
Final Report Abstract
Die vorliegende Arbeit beinhaltet umfassende Analysen von Korrosionsprozessen zwischen stabilisierten ZrO2 Keramiken im Kontakt zu silikatischen Schmelzen und Schlacken. Dabei wurden die korrosionsbeeinflussenden materialeigene Größen Korngröße, Porosität, Stabilisatorgehalt, Stabilisatortyp, die Schmelzeigenschaften Basizität und Viskosität, sowie das, sich aus dem Zusammenspiel dieser Faktoren ergebende, Benetzungsverhalten der Schmelzen auf den ZrO2 Substarten untersucht. Die Viskosität der Schmelzen, sowie deren Basizität wurden mittels ausgewählter Modelle berechnet. Die Schmelzsättigung wurde experimentell bestimmt. Aus diesen Ergebnissen konnten Abschätzungen in Bezug auf die Rollen der ZrO2 und Y2O3 Komponente im SiO2-Netzwerk gemacht werden, die durch Raman-basierten Strukturuntersuchungen größtenteils untermauert werden. So ergaben sich für ZrO2 und Y2O3 leicht unterschiedliche Rollen im Glasnetzwerk. Wohingegen ZrO2 je nach Glaszusammensetzung sowohl eine stabilisierende als auch modifizierende Rolle einnimmt, zeigt Y2O3 in den analysierten Zusammensetzungen nur modifizierende Tendenzen. Des Weiteren konnte ein detailliertes Korrosionsmodell für die Korrosion von Y-FSZ erarbeitet werden. Als besonders korrosionsfördernd stellten sich eine zu geringe Korngröße und eine unpassende Stabilisatorwahl (MgO anstelle von Y2O3) heraus. Auch die Menge des gewählten Stabilisators hatte einen Einfluss auf den kinetischen Korrosionsverlauf. Auch die Schmelzbasizität und –viskosität haben nachweislich einen großen Einfluss auf die Korrosionskinetik. Zum einen bestimmt die Basizität die maximale Löslichkeit von ZrO2 und dessen Stabilisator in der Schmelze und somit auch die Korrosivität, und zum anderen beeinflusst die Viskosität den diffusiven Abtransport der gelösten Stoffe von der Korrosionsfront. Damit geht auch, im Zusammenhang mit der Basizität, die Kontrolle Infiltrationsgeschwindigkeit der Schmelze entlang der Korngrenzen ins Materialinnere einher. Das Zusammenspiel der chemischen und strukturellen Beschaffenheit der ZrO2 Substrate und der chemischen Zusammensetzung der Schmelzen beeinflusst das Benetzungsverhalten der Schmelzen auf den ZrO2 Substraten (Reaktivität von Schmelze und Substrat). Durch entsprechende Benetzungsversuche konnte gezeigt werden, dass sich der verwendete Stabilisator sehr stark auf die Reaktivität und somit das Benetzungsverhalten auswirkt. Das Benetzungsverhalten von allen untersuchter Schmelzen auf MSZ ist aufgrund der höheren Affinität der silikatischen Schmelzen für MgO viel besser als bei YSZ, was YSZ sehr viel langsamer korrodieren lässt. Durch die Eigensynthese der ZrO2-Tiegel aus pressfähigen Pulvern und deren nachgestellte ausführliche chemischen und strukturelle Analyse in Kombination mit Analysen von weiteren zugekauften, unterschiedlich hoch Y2O3 stabilisierten ZrO2 Materialien konnte der auffällige Bandenshift im Bereich von 600-645 cm^-1 im Raman Spektrum zur quantitativen Bestimmung des Y2O3 Gehalts genutzt werden. Es ist gelungen, den Bandenshift systemübergreifend vom t-ZrO2 ins c-ZrO2 System mit der Sauerstofffehlstellenkonzentration und somit mit dem Y2O3 Gehalt zu korrelieren, was die Ramanspektroskopie über die qualitative Phasenanalyse hinaus als schnelle und wenig aufwendige Quantifizierungsmethode etabliert.
Publications
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(2012): Wetting and Corrosion of Yttria Stabilized Zirconia by Melts and Slags. Journal of the European Ceramic Society 32 (11): 2859-2866
Hemberger, Y., Keuper, M., Berthold, C. & Nickel, K.G.
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(2015): Quantification of Y2O3 in Y- ZrO2 by Raman Spectroscopy. International Journal of Applied Ceramic Technology
Hemberger, Y., Wichtner, N., Berthold, C. & Nickel, K.G.
