Thermodynamische Untersuchungen und Phasengleichgewichte von Hochleistungsmaterialien für zukünftige Wärmedämmschichten im Materialsystem ZrO2-HfO2-Y2O3-Ta2O5

• Antragstellerinnen: Privatdozentin Olga Fabrichnaya, Ph.D.; Dr.-Ing. Maren Lepple
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 314579101

Um die Effizienz von Turbinen durch Erhöhung der Betriebstemperatur zu steigern und damit den Treibstoffverbrauch und die CO2-Emissionen zu verringern, werden neue hochtemperaturstabile Keramiken für den Einsatz Wärmedämmschichten benötigt. Wärmedämmschichten schützen die metallischen Strukturmaterialien in den heißesten Zonen der Turbine. Für solche Hochtemperaturanwendungen ist ein umfassendes Verständnis des eingesetzten Materialsystems, einschließlich der Kenntnis der Phasenstabilitäten sowie der Triebkräfte zur Bildung metastabiler und stabiler Phase unerlässlich. Daher ist Ziel dieses Vorhabens, das vielversprechende Materialsystem ZrO2-HfO2-Y2O3-Ta2O5 thermodynamisch zu untersuchen und zu modellieren, um die Stabilisierungsmechanismen zu beleuchten. Dafür wird die CALPHAD Methode herangezogen, mit deren Hilfe durch die Kombination von Schlüsselexperimenten mit thermodynamischer Modellierung eine konsistente thermodynamische Beschreibung des Systems erzeugt werden kann und damit von unschätzbarem Wert für die Materialentwicklung als integraler Bestandteil der „Integrated Computational Materials Engineering“ (ICME) ist.Zusammensetzungen im Materialsystem ZrO2-Y2O3-Ta2O3 sind wegen ihrer attraktiven Eigenschaften, wie niedrige Wärmeleitfähigkeit, Phasenstabilität bis mindestens 1500 °C und zu Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkoniumdioxid vergleichbaren mechanischen Eigenschaften vielversprechende Materialien für Wärmedämmschichten der nächsten Generation. Die Stabilisierungsmechanismen der Phasen entlang der äquimolaren Dotierungslinie ZrO2-YTaO4 wurde durch die Kombination von thermochemischen sowie Phasendiagrammuntersuchungen in der ersten Förderperiode aufgeklärt. In der Fortführung des Projekts wird das Materialsystem nun um HfO2 erweitert, da dadurch Zusammensetzungen generiert werden können, die eine noch geringere Wärmeleitfähigkeit, einen angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten und eine verbesserte thermochemische Stabilität hohen Temperaturen aufweisen. Die Phasengleichgewichte und Phasenstabilitäten in dem Materialsystem ZrO2-HfO2-Y2O3-Ta2O5 und seiner Teilsysteme werden mit Hilfe von Röntgenbeugung, thermischer Analyse und Elektronenmikroskopie mit Elementaranalyse bestimmt. Standard-Bildungsenthalpien von stabilen und metastabilen Proben werden aus Lösungsenthalpien abgeleitet, die durch Hochtemperatur-Lösungskalorimetrie erhalten werden. Wärmekapazitäten werden mittels Dynamischer Differenz Kalorimetrie gemessen, diese geben die Temperaturabhängigkeit der Gibbs Energie wieder und tragen daher direkt zum Verständnis des thermischen Verhaltens der Zusammensetzungen bei. Für jede stabile und metastabile Phase im mehrkomponentigen Materialsystem wird auf Basis der CALPHAD Methode ein thermodynamisches Modell entwickelt, um ein tiefes Verständnis der Stabilisierungseffekte, Phasenzusammenhänge und Konstitution zu erhalten, wobei die experimentellen Ergebnisse direkt in die thermodynamische Modellierung einfließen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen