Phase transformations in air plasma-sprayed yttria-stabilized zirconia thermal barrier coatings

Transformaciones de fase en recubrimientos de barrera térmica de zirconia estabilizada con yttria depositados mediante aspersión por plasma atmosférico

Phase transformations in air plasma-sprayed thermal barrier coatings composed of ZrO2 – 8 wt.% Y2O3 (zirconia - 8 wt.% yttria) are studied using X-Ray diffraction and Rietveld refinement measurements. Samples of TBC deposited onto Inconel 625 substrate were fabricated and heat treated at two different conditions: exposition to 1100°C up to 1000 hours and exposition to temperatures between 700°C and 1100°C during 50 hours. According to Rietveld refinement measurements, the content of the cubic phase in the top coat increases with time and temperature; it starts at 7.3 wt.% and reaches 15.7 wt.% after 1000 hours at 1100°C. The presence of a cubic phase in high amounts is undesirable due its lower mechanical properties compared with the tetragonal phase. After 800 hours of exposure to high temperature, the amount of Y2O3 in the tetragonal phase reduces to 6.6 wt.% and a fraction of this phase transforms to a monoclinic structure during cooling. The monoclinic phase reached 18.0 wt.% after 1000 hours. This phase is also undesirable, not only due to its higher thermal conductivity, but also because the tetragonal-to-monoclinic transformation implies a volume change of circa 5%, which favors crack formation and propagation and compromises the coating integrity.

En este trabajo, las transformaciones de fase en Recubrimientos de Barrera Térmica (TBC) constituidos por ZrO2 – 8 wt.% Y2O3 (zirconia - 8 wt.% ytrria) fueron estudiados a través de Difracción de Rayos X (XRD) y refinamiento Rietveld. Las muestras de TBC fueron depositadas mediante aspersión por plasma atmosférico sobre un sustrato tipo Inconel 625 y fueron tratadas térmicamente con dos condiciones diferentes: en la primera se utilizó una temperatura de 1100°C con tiempos de exposición entre 1 hora y 1000 horas; en la segunda las muestras fueron sometidas a temperaturas entre 700°C y 1100° durante 50 horas. De acuerdo a los resultados obtenidos mediante refinamiento Rietveld el contenido de fase cúbica en el recubrimiento (TC) se incrementa con el tiempo y la temperatura, desde 7.3 wt.% hasta 15.7 wt.% después de 1000 horas a 1100°C. La fase cúbica en grandes cantidades es indeseable debido a que presenta inferiores propiedades mecánicas cuando se compara con la fase tetragonal. Después de 800 horas de exposición a alta temperatura, el contenido de Y2O3 en la fase tetragonal se reduce hasta 6.6 wt.% y una fracción de la fase tetragonal transforma a monoclínica durante el enfriamiento. La fase monoclínica alcanza 18.0 wt.% después de 1000 horas. Esta fase es también indeseable porque además de tener una mayor conductividad térmica, la transformación de tetragonal a monoclínica viene acompañada de un cambio volumétrico de alrededor de 5% que promueve la formación y propagación de grietas, las cuales comprometen la integridad del recubrimiento.