Труды КНЦ (Технические науки вып.1/2023(14))

Определены парциальные давления паров SmO, Sm и O над образцами и активности Sm 2 O 3 в интервале температур 2 3 1 9 -2 5 3 0 К. Это позволило определить значения избы точной энергии Г и б б с а . Для сравнения: избыточные энергии Гиббса в системе Sm 2 O 3 -ZrO 2 -HfO 2 также были рассчитаны полуэмпирическими методами Колера, Тупа, Редлиха — Кистера и Уилсона и оптимизированы с помощью статистической термодинамической обобщенной решеточной теории связанных растворов. Совпадение экспериментальных данных, полученных разными методами, показало отклонения значений избыточной энергии Гиббса (AGE) в пределах 1,0 кДж/моль, или 6 %. AGE в системе Sm 2 O 3 -ZrO 2 -HfO 2 , рассчитанная полуэмпирическими методами Колера, Тупа, Редлиха — Кистера и Вильсона по данным в соответствующих бинарных системах при температуре 2423 К, оказалась ниже экспериментальных результатов, что указывает на невозможность рассчитать этими полуэмпирическими методами значения AGE в исследуемой системе с относительным отклонением менее 20 % при мольной доле Sm 2 O 3 более чем 0,27. Показано, что методы Тупа и Вильсона можно использовать только для оценки значений AGE в системе Sm 2 O 3 -ZrO 2 -HfO 2 при температуре 2423 К при мольной доле Sm 2 O 3 ниже и выше 0,32 при средних отклонениях 1,6 кДж/ моль (10 %) и 8,3 кДж/моль (42 %) соответственно. Экспериментальные данные по активности Sm 2 O 3 также были оптимизированы с использованием обобщенной решеточной теории ассоциированных растворов для получения взаимосогласованного описания термодинамических свойств в системе Sm 2 O 3 -ZrO 2 -HfO 2 при высоких температурах и для выявления причин отрицательных отклонений от идеальности. В продолжение изучения потенциальных возможностей разработки высокоэффективных теплозащитных покрытий на основе трехкомпонентных керамических материалов, содержащих оксиды редкоземельных элементов, проведено исследование влияния компонентов на изменение теплофизических свойств керамики на основе системы Gd2O3-ZrO2-HfO2 [8, 9]. Материалы с использованием этой системы перспективны для широкого круга высокотемпературных технологических применений, например, для получения термобарьерных покрытий в авиационной и космической промышленности, перспективных материалов в атомной энергетике. Следует отметить, что теплозащитные покрытия используются в энергетической промышленности как наиболее эффективное средство защиты рабочих газотурбинных двигателей от воздействия высокотемпературных продуктов сгорания топлива, позволяющее предотвратить прямое действие газовых потоков на поверхность охлаждаемых рабочих лопаток. По итогам проведенного исследования [8] можно заключить, что оксиды гадолиния и гафния стабилизируют термический коэффициент линейного расширения образцов керамики в изученной трехкомпонентной системе Gd 2 O 3 -ZrO 2 -HfO 2 . При равном содержании оксидов гадолиния и гафния (от 10 до 15 мол. %) и содержании оксида циркония не менее 70 мол. % термический коэффициент линейного расширения керамических материалов системы Gd2O3-ZrO2-HfO2 может достигать аь = 10,5-10"6 при колебании значений на уровне Ааь = 3,0-10"6 и приемлемых значениях коэффициента теплопроводности, равных 0,98-1,35 Вт/(м-К). Совокупная оценка колебаний термического коэффициента теплопроводности позволяет рекомендовать для дальнейшего изучения образцы, содержащие в мол. %: 10 % Gd2O3 — 80 % ZrO 2 — 10 % HfO 2 , 15 % Gd2O3 — 70 % ZrO 2 — 15 % H fO 2 , и 15 % Gd2O3 — 15 % ZrO 2 — 70 % H fO 2 . Экспериментальные исследования керамики на основе этой системы масс-спектрометрическим эффузионным методом Кнудсена дают такую ценную информацию, как состав паров над образцами, и позволяют вывести термодинамические функции [9]. В ходе исследования были синтезированы и проанализированы рентгенофлуоресцентным и дифракционным методами образцы керамики системы Gd 2 O 3 -ZrO 2 -HfO 2 . Процессы испарения и парциальные давления паров над образцами были получены высокотемпературным масс-спектрометрическим методом с использованием метода сравнения ионных токов. Полученные термодинамические функции исследуемой системы были оптимизированы в рамках подхода ОРТАР. В результате выполненного исследования при температуре 2600 К над образцами были обнаружены молекулярные формы пара GdO, ZrO, ZrO 2 , HfO и O, но только для молекулярных форм пара GdO и ZrO были получены экспериментальные данные по соответствующим парциальным давлениям. Для всех керамических образцов в рассматриваемой системе были найдены значения активности Gd2O3. На этой экспериментальной основе было выполнено моделирование термодинамических свойств Труды Кольского научного центра РАН. Серия: Технические науки. 2023. Т. 14, № 1. С. 27-35. Transactions of the Kala Science Centre of RAS. Series: Engineering Sciences. 2023. Vol. 14, No. 1. P. 27-35. © Столярова В. Л., Ворожцов В. А., Соколова Т. В., 2023 31