چکیده

سوپرآلیاژها، کاربرد گسترده‌ای در تجهیزات دمای بالا به‌خصوص در اجزای توربین‌های گازی از جمله پره‌ها و محفظه احتراق دارند. استفاده از سوخت‌های آلوده و حضور در محیط‌های اکسیدکننده، موجب اکسایش و خوردگی این سوپرآلیاژها می‌شود. همچنین در توربین‌های گازی برای دستیابی به بازده بالاتر موتور، افزایش دما داخلی گاز موردنیاز است. بازده کاری توربین‌های گازی وابسته به دمای گاز ورودی به توربین است .بنابراین، یکی از راهکارها برای افزایش دمای کاری موتور توربین، استفاده از مواد عایق گرمایی است. زیرکونیا (ZrO2) دارای سه فاز مکعبی، مونوکلینیک و تتراگونال است که فاز تتراگونال آن به‌طور گسترده به‌عنوان ماده عایق گرمایی و ماده مقاوم در برابر خوردگی مورداستفاده قرار می‌گیرد. ZrO2 در دمای بالاتر از °C 1000 به دلیل تغییر فاز به منوکلینیک و وقوع خوردگی نمی‌تواند استفاده شود. بنابراین برای حل این مشکل، علاقه پژوهشگران به سمت دوپه کردن اکسیدهای سرامیکی در شبکه زیرکونیا برای پایدار کردن فاز تتراگونال جلب شده است. در پژوهش‌های گذشته انتخاب عامل دوپه کننده‌ای که هدایت گرمایی پایین و مقاومت به خوردگی داغ و سیلیکاتی مناسبی داشته باشد به‌عنوان چالش محسوب می‌شد. در این پژوهش، نانوذرات زیرکونیای پایدار شده با سه جزء ایتریا-سریا-اسکاندیا (ScCeYSZ) با درصدهای وزنی گوناگون به روش سل-ژل سنتز شدند و سپس به روش تفجوشی پلاسمای جرقه‌ای (  ) متراکم شدند. آزمون خوردگی در دو محیط گوناگون (مخلوط نمک‌های خورنده سدیم سولفات و وانادیم پنتوکسید) و محیط حاوی کلسیم-منیزیم-آلومینا سیلیکات (CMAS) بر روی نمونه‌های تفجوشی شده انجام شد. همچنین نفوذپذیری گرمایی نمونه‌ای با بهترین مقاومت به خوردگی با دستگاه فلش زنون اندازه‌گیری شد. تعیین فازهای زیرکونیا با طیف‌بینی رامان و پراش‌ پرتو ایکس (XRD)، مورفولوژی با میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی (FESEM) و تجزیه شیمیایی با طیف‌سنجی تفکیک انرژی پرتو X (EDS) موردمطالعه قرار گرفت. از بین درصدهای گوناگون دوپه شده سه جزء پایدارکننده در شبکه نانوذرات زیرکونیوم اکسید، نمونه‌های 1(ScCeYSZ)، 2(ScCeYSZ) و 3(ScCeYSZ) با فرمول به ترتیب 1.8 wt.% (Sc2O3) 8.3 wt.% (CeO2) 1.9 wt.% (Y2O3)، 1.1 wt.% (Sc2O3)

9.0 wt.% (CeO2) 1.9 wt.% (Y2O3)، 0.5 wt.% (Sc2O3) 9.6 wt.% (CeO2) 1.9 wt.% (Y2O3) که کمترین درصد فاز مونوکلینیک و بیشترین پایداری فاز تتراگونال را در دمای بالا (°C 1600) دارند به‌عنوان نمونه‌های بهینه انتخاب و رفتار خوردگی سرامیک حاصل از این سه نمونه بررسی شد. همچنین، نتایج خوردگی با سرامیک حاصل از تفجوشی نانوپودر زیرکونیای پایدار شده با ایتریا (nano 8YSZ) مقایسه شد. چگالی نسبی سه نمونه nano 8YSZ، 1(ScCeYSZ)، 2(ScCeYSZ) و 3(ScCeYSZ) به ترتیب 98، 8/98، 5/99 و %8/99 است. نتایج فازی و ریزساختاری بعد از خوردگی نمونه‌های تفجوشی شده، تشکیل فاز مونوکلینیک (m-ZrO2)، بلورهای میله‌ای ایتریم وانادات (YVO4) و بلورهای شبه مکعبی سریم اکسید (CeO2) را در سطح نمونه سرامیک‌های تفجوشی شده نشان می‌دهد. نمونه حاوی 8/1 درصد وزنی اسکاندیا، 3/8 درصد وزنی سریا و 9/1 درصد وزنی ایتریا، بیشترین پایداری فازی و مقاومت به خوردگی داغ و CMAS را نشان داد. همچنین میزان هدایت گرمایی این نمونه W/m.K 2/1 محاسبه شد.

واژگان: خوردگی، هدایت گرمایی، زیرکونیای پایدار شده با ایتریا-سریا-اسکاندیا، پایداری فازی