Оценка термодинамической стабильности гексаалюминатов REMgAl11O19 (RE = La, Pr, Nd, Sm) со структурой магнетоплюмбита в области высоких температур

  • Константин Сергеевич Гавричев ФГБУН Институт общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова Российской академии наук, Ленинский проспект, 31, Москва 119991, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-5304-3555
  • Владимир Николаевич Гуськов ФГБУН Институт общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова Российской академии наук, Ленинский проспект, 31, Москва 119991, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0003-0425-8618
  • Павел Георгиевич Гагарин ФГБУН Институт общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова Российской академии наук, Ленинский проспект, 31, Москва 119991, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-6450-3959
  • Антон Владимирович Гуськов ФГБУН Институт общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова Российской академии наук, Ленинский проспект, 31, Москва 119991, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0003-0826-5495
Ключевые слова: гексаалюминаты, магнетоплюмбит, РЗЭ, термодинамика, термобарьерные покрытия

Аннотация

Актуальность данного исследования определяется дефицитом достоверной информации по свойствам высокотемпературных материалов для энергетики и авиационно-космической техники. Целью настоящей статьи является термодинамическая оценка стабильности гексаалюминатов магния-РЗЭ REMgAl11O19 (RE = La, Pr, Nd, Sm) со структурой магнетоплюмбита - перспективных компонентов термобарьерных покрытий. Оценка выполнена на основании вычисления величин энергии Гиббса реакций разложения гексалюминатов магния-РЗЭ на простые оксиды, а также на алюмо-магниевую шпинель MgAl2O4 и фаз REAlO3 в температурном диапазоне 298-1800 K. Для вычислений использованы данные по термодинамическим свойствам гексаалюминатов, рассчитанные нами из значений теплоемкости, измеренных методом дифференциальной сканирующей калориметрии в интервале 300-1800 К, и литературным величинам по термодинамическим свойствам для простых оксидов, а также MgAl2O4 и REAlO3. Информация по термодинамическим свойствам гексаалюминатов магния-РЗЭ, перспективных термобарьерных материалов, практически отсутствует. Целью статьи является термодинамическая оценка вероятности реакций разложения гексаалюминатов в области высоких температур.

На основании опубликованных ранее данных по высокотемпературной теплоемкости соединений состава REMgAl 11O19 (RE = La, Pr, Nd, Sm) рассчитаны температурные зависимости энтропии, изменения энтальпии, которые использованы для оценки энергии Гиббса реакций разложения гексаалюминатов на составляющие оксиды.

Температурные зависимости энергии Гиббса четырех возможных реакций разложения гексаалюминатов позволили сделать выводы о термодинамической стабильности в области высоких температур

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Константин Сергеевич Гавричев, ФГБУН Институт общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова Российской академии наук, Ленинский проспект, 31, Москва 119991, Российская Федерация

д. х. н., гл. н. с., заведующий лабораторией термического анализа и калориметрии, Институт общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова Российской академии наук (Москва, Российская Федерация)

Владимир Николаевич Гуськов, ФГБУН Институт общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова Российской академии наук, Ленинский проспект, 31, Москва 119991, Российская Федерация

д. х. н., вед. н. с. лаборатории термического анализа и калориметрии, Институт общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова Российской академии наук (Москва, Российская Федерация)

Павел Георгиевич Гагарин, ФГБУН Институт общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова Российской академии наук, Ленинский проспект, 31, Москва 119991, Российская Федерация

к. х. н., с. н. с. лаборатории термического анализа и калориметрии, Институт общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова Российской академии наук (Москва, Российская Федерация)

Антон Владимирович Гуськов, ФГБУН Институт общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова Российской академии наук, Ленинский проспект, 31, Москва 119991, Российская Федерация

к. х. н., н. с. лаборатории термического анализа и калориметрии, Институт общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова Российской академии наук (Москва, Российская Федерация)

Литература

Huang E-W., Tung C., Liaw P. K. High-temperature materials for structural applications: New perspectives on high-entropy alloys, bulk metallic glasses, and nanomaterials. MRS Bulletin. 2019;44: 847–853. https://doi.org/10.1557/mrs.2019.257

Lakiza S. M., Grechanyuk M. I., Ruban O. K., … Prokhorenko S. V. Thermal barrier coatings: current status, search, and analysis. Powder Metallurgy and Metal Ceramics. 2018;57(1-2): 82–113. https://doi.org/10.1007/s11106-018-9958-0

Stiger M. J., Yanar M. M., Topping M. G., Pettit F. S., Meier G. H. Thermal barrier coatings for the 21st century. International Journal of Materials Research.1999;90(12): 1069–1078. https://doi.org/10.1515/ijmr-1999-901218

Tejero-Martin D., Bennett C., T. Hussain T. A review on environmental barrier coatings: History, current state of the art and future developments. Journal of European Ceramic Society. 2021;41(3): 1747–1768. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2020.10.057

Poliarus O., Morgiel J., Żórawski W., … Cherniushok O. Microstructure, mechanical and thermal properties of YSZ thermal barrier coatings deposited by axial suspension plasma spraying. Archives of Civil and Mechanical Engineering. 2023;23: 89(1-11). https://doi.org/10.1007/s43452-023-00616-8

Gorelov V. P., Belyakov S., Abdurakhimova R. K. Phase transitions in monoclinic ZrO2. Physics of Solid State. 2023;65(3): 461–466. https://doi.org/10.21883/pss.2023.03.55589.541

Frommherz M., Scholz A., Oechsner M., Bakan E., Vaßen R. Gadolinium zirconate/YSZ thermal barrier coatings: Mixed-mode interfacial fracture toughness and sintering behavior. Surface and Coating Technologies. 2016;286: 119–128. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2015.12.012

Kablov E. N., Doronin O. N., Artemenko N. I., Stekhov P. A., Marakhovskii P. S., Stolyarova V. L. Investigation of the physicochemical properties of ceramics in the Sm2O3–Y2O3–HfO2 system for developing promising thermal barrier coatings. Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2020;65(6): 914–923. https://doi.org/10.1134/s0036023620060078

Chen L., Hu M., Guo J., Chong X., Feng J. Mechanical and thermal properties of RETaO4 (RE = Yb, Lu, Sc) ceramics with monoclinic-prime phase. Journal of Materials Science and Technology. 2020;52: 20–28. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.02.051

Chen L., Song P., Feng J. Influence of ZrO2 alloying effect on the thermophysical properties of fluorite-type Eu3TaO7 ceramics. Scripta Materialia. 2018;152: 117–121. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2018.03.042

Chen L., Guo J., Zhu Y., Hu M., Feng J. Features of crystal structures and thermo-mechanical properties of weberites RE3NbO7 (RE = La, Nd, Sm, Eu, Gd) ceramics. Journal of American Ceramic Society. 2021;104: 404–412. https://doi.org/10.1111/jace.17437

Gadow R., Lischka M. Lanthanum hexaaluminate – novel thermal barrier coatings for gas turbine applications – materials and process development. Surface and Coating Technologies. 2002;151-152: 392–399. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(01)01642-5

Pitek F. M., Levi C. G. Opportunities for TBCs in the ZrO2-YO1.5-TaO2.5 system. Surface and Coating Technologies. 2007;201: 6044–6050. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2006.11.011

Mikhailov G. G., Makrovets L. A., Smirnov L. A. Thermodynamics of the processes of interaction of liquid metal components in Fe – Mg – Al – La – O system. Izvestiya Visshikh Uchebnykh Zavedenii. Chernaya Metallurgiya = Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2018;61(6): 460–465. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2018-6-460-465

Friedrich С., Gadow R., Schirmer T. Lanthanum hexaaluminate – a new material for atmospheric plasma spraying of advanced thermal barrier coatings. Journal of Thermal Spray Technology. 2001;10(4): 592–598. https://doi.org/10.1361/105996301770349105

Lu H., Wang C.-An, Zhang C., Tong S. Thermo-physical properties of rare-earth hexaaluminates LnMgAl11O19 (Ln: La, Pr, Nd, Sm, Eu and Gd) magnetoplumbite for advanced thermal barrier coatings. Journal of the European Ceramic Society. 2015;35: 1297–1306. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2014.10.030

Gagarin P. G., Guskov A. V., Guskov V. N., Khoroshilov A. V., Ryumin M. A., Gavrichev K. S. Synthesis and high-temperature heat capacity of LaMgAl11O19 and SmMgAl11O19 hexaaluminates. Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2023;68(11): 1599–1605. https://doi.org/10.1134/s0036023623602064

Gagarin P. G., Guskov A. V., Guskov V. N., Nikiforova G. E., Gavrichev K. S. Heat capacity and thermal expansion of LaMgAl11O19*. Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2024;69(6): accepted for publication. (In Russ.)

Gagarin P. G., Guskov A. V., Guskov V. N., Khoroshilov A. V., Efimov N. N., Gavrichev K. S. Heat capacity and magnetic properties of PrMgAl11O19*. Russian Journal of Physical Chemistry A. 2024; accepted for publication. (In Russ.)

Gagarin P. G., Guskov A. V., Guskov V. N., Ryumin M. A., Nikiforova G. E., Gavrichev K. S. Heat capacity of magnesium-neodymium hexaaluminate NdMgAl11O19*. Russian Journal of Physical Chemistry A. 2024; accepted for publication. (In Russ.)

van der Laan R. R., Konings R. J. M., van Genderen A. C. G., van Miltenburg J. C. The heat capacity of NdAlO3 from 0 to 900 K. Thermochimica Acta. 1999;329: 1–6. https://doi.org/10.1016/S0040-6031(99)00006-4

Kopan A. R., Gorbachuk M. P., Lakiza S. M., Tishchenko Ya. S. Thermodynamic characteristics of SmAlO3 in the range 55–300 K. Powder Metallurgy and Metal Ceramics. 2012;51(3-4): 209–216. https://doi.org/10.1007/s11106-012-9419-0

Konings R. J. M., Beneš O., Kovács A., … Osina E. The thermodynamic properties of the f-elements and their compounds. Part 2. The lanthanide and actinide oxides. Journal of Physical and Chemical Reference Data. 2014;4: 013101-1–013101-95. https://doi.org/10.1063/1.4825256

Zinkevich M. Thermodynamics of rare earth sesquioxides. Progress in Materials Science. 2007;52: 597–647. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2006.09.002

Chase M. W. Jr. NIST-JANAF thermochemical tables. Journal of Physical and Chemical Reference Data Monographs. Washington DC: American Inst. of Physics; 1998, 1951 p.

Barin I. Thermochemical Data of Pure Substances. 3rd Edition. Published jointly by G. Platzki. VCH – Weinheim; New York; Base1; Cambridge; Tokyo: VCH. 2003 p.

Glushko V. P. Thermal constants of substances*. Reference book. Moscow: 1965-1982. (In Russ.)

Zhang Y., Navrotsky A. Thermochemistry of rare-earth aluminate and aluminosilicate glasses. Journal of Non-Crystalline Solids. 2004;341: 141–151. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2004.04.027

Gavrichev K. S., Guskov V. N., Gagarin P. G., Guskov A. V., Khoroshilov A. V. Heat capacity and thermodynamic properties of REMgAl11O19 (RE = La, Pr, Nd, Sm) hexaaluminates with magnetoplumbite structure. In: XXIV International Conference on Chemical Thermodynamics in Russia RCCT-2024, July 1–5, 2024, Ivanovo, Russia RCCT-2024. Book of abstracts. Ivanovo: JSC “Ivanovo Publishing House” Publ.; 2024. p. 318. Available at: https://rcct.isc-ras.ru/sites/default/files/collectionabstracts/56/rcct-2024.pdf

Опубликован
2024-11-21
Как цитировать
Гавричев, К. С., Гуськов, В. Н., Гагарин, П. Г., & Гуськов, А. В. (2024). Оценка термодинамической стабильности гексаалюминатов REMgAl11O19 (RE = La, Pr, Nd, Sm) со структурой магнетоплюмбита в области высоких температур. Конденсированные среды и межфазные границы, 26(4), 782-788. https://doi.org/10.17308/kcmf.2024.26/12453
Раздел
Краткие сообщения