Деградация теплозащитных покрытий из диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, под воздействием пентаоксида ванадия, пентаоксида фосфора и сульфата натрия

Наличие примесей ванадия, фосфора и натрия в нефтяном коксе и смесях угля с нефтяным коксом, используемых на установках комбинированного цикла с интегрированной газификацией (IGCC), требует четкого понимания высокотемпературной деградации материалов для разработки газовых турбин, способных работать на различных видах топлива. В настоящем исследовании изучали реакции деградации отдельно стоящего диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (YSZ), нанесенного методом воздушного плазменного напыления (APS), при контакте с пентаоксидом ванадия (V₂O₅), пентаоксидом фосфора (P₂O₅) и сульфатом натрия (Na₂SO₄) при температурах до 1200°C. Фазовые превращения и развитие микроструктуры исследовали методами рентгеновской дифракции, сканирующей электронной микроскопии и просвечивающей электронной микроскопии. Расплавленный V₂O₅ реагировал с твердым YSZ с образованием пированадата циркония (ZrV₂O₇) при температурах ниже 747°C. Однако при температурах выше 747°C расплавленный V₂O₅ реагировал с YSZ с образованием ванадата иттрия (YVO₄). Образование YVO₄ приводило к обеднению стабилизатора Y₂O₃ и вредному превращению в моноклинную фазу ZrO₂. Кроме того, исследования деградации YSZ под воздействием Na₂SO₄ и смеси Na₂SO₄ + V₂O₅ (50–50 мол.%) показали, что сам по себе Na₂SO₄ не влияет на деградацию YSZ. Однако в присутствии V₂O₅ при высоких температурах Na₂SO₄ образует ванадатные соединения с более низкой температурой плавления, такие как метаванадат натрия (610°C), который, как было установлено, вызывает деградацию YSZ посредством образования YVO₄ при относительно низкой температуре 700°C. Установлено, что P₂O₅ реагирует с APS-YSZ с образованием пирофосфата циркония (ZrP₂O₇) при всех исследованных температурах. При температурах от 200 до 1200°C наблюдалась реакция расплавленного P₂O₅ с твердым YSZ с образованием ZrP₂O₇, что приводило к обеднению YSZ диоксидом циркония (то есть обогащению Y₂O₃ в t′-YSZ) и способствовало образованию флюоритной кубической фазы ZrO₂.