Thermodynamische Analysen und Modellierungen im quaternären System Al-Nb-O-Ta

Werkstoffe aus dem Zusammensetzungsbereich des quaternären Systems Al-Nb-O-Ta sind für die Entwicklung neuartiger refraktärer Verbundwerkstoffe sowie Wärmedämmschichten von Interesse. Die Kombination aus Refraktärmetall und Aluminiumoxid wird für die Verwendung eines elektrisch heizbaren Kernmaterials für keramische Bauteile mit Hochtemperaturanwendungen erforscht. Die beiden ternären Oxide NbAlO4 und TaAlO4 sind vielversprechende Materialen zum Einsatz als sogenannte thermal barrier coating.

Für die binären Randsysteme Al-O, Al-Nb, Al-Ta und O-Ta sind experimentelle Daten und CALPHAD-Modellierungen in ausreichender Qualität in der Literatur vorhanden. ... mehrFür das binäre System Nb-O werden die vorhandenen experimentellen Daten in einer Neumodellierung des bisher publizierten CALPHAD-Datensatzes erfasst. Die korrekte Berechnung der Liquiduslinie im sauerstoffreichen Teil des Phasendiagramms ist die größte Verbesserung des neuen Datensatzes. Die analytische Beschreibung der Gibbs-Energie-Funktion des Niobdioxids wurde um die Phasenumwandlung bei 1080 K erweitert.

Für das ternäre System Al-Nb-O liegen einige widersprüchliche experimentelle Arbeiten zum quasibinären Schnitt Al2O3-Nb2O5 in der Literatur vor. Nach Wärmebehandlungszeiten von bis zu 300 h wird mittels Röntgendiffraktometrie (XRD) die Stabilität der ternären Oxide bestimmt. Die einzigen thermodynamisch stabilen ternären Oxide sind NbAlO4 und Nb25AlO64. Die thermophysikalischen Größen Wärmekapazität, Temperaturleitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit für NbAlO4 werden bestimmt. Die thermodynamische Modellierung des ternären Systems Al-Nb-O nach der CALPHAD-Methode wird vorgestellt und diskutiert.

Durch detaillierte Analysen der Röntgendiffraktogramme werden die Homogenitätsbereiche der beiden Ta2O5-Modifikationen bestimmt. Die Tieftemperaturmodifikation wird bei der Lösung von Aluminiumoxid stärker stabilisiert als die Hochtemperaturmodifikation. TaAlO4 besitzt eine praktisch stöchiometrische Zusammensetzung und ist das einzige ternäre Oxid im quasibinären Schnitt Al2O3-Ta2O5. Die Ergebnisse von thermischen Analysen zur Bestimmung des Schmelzpunkts, der Wärmekapazität, der Temperaturleitfähigkeit und der Wärmeleitfähigkeit von TaAlO4 werden gezeigt. Die thermodynamischen Parameter für das ternäre System als Folge der CALPHAD-Optimierung werden gezeigt.

Die Mischkristallreihe zwischen NbAlO4 und TaAlO4 ist durchgehend. Die Gitterparameter a, b und c folgen dabei der Vegard’schen Regel. Der berechnete isotherme Schnitt bei 1300°C des Systems Al2O3-Nb2O5-Ta2O5 wird gezeigt.

Materials with a composition within the quaternary system Al-Nb-O-Ta are investigated as a new generation of refractory composites and as thermal barrier coatings. The combination of refractory metal and alumina provides an electrically heatable core material for high temperature applications. Both ternary oxides, NbAlO4 and TaAlO4 are promising candidates for new thermal barrier coating materials.

For the binary subsystems Al-O, Al-Nb, Al-Ta and O-Ta, experimental data and thermodynamic assessments with the CALPHAD method are available in sufficient quality in the literature. ... mehrFor the system Nb-O, the existing CALPHAD dataset is re-assessed with new experimental data. The NbO2 phase transition at 1080 K is added. The re-assessment was necessary to improve the calculation of the melting point of Nb2O5.

The literature data on experimentally derived phase diagrams of the quasibinary section Al2O3-Nb2O5 in the ternary system Al-Nb-O are ambiguous. The thermodynamic stabilities of the ternary oxides have been determined in this work with annealing times up to 300 h and subsequent X-ray powder diffraction. The only stable ternary oxides are NbAlO4 and Nb25AlO64. Experiments were carried out to determine the thermophysical property data for the heat capacity, thermal diffusivity, and thermal conductivity of NbAlO4. A CALPHAD-type assessment is presented and discussed.

The homogeneity ranges of both stable Ta2O5 modifications are determined with XRD analysis. The low temperature modification is strongly stabilized by the addition of alumina. The high temperature modification is stabilized as well, but less than βTa2O5. TaAlO4 is the only stable ternary oxide in the quasibinary section Al2O3-Ta2O5 and has a practically stoichiometric composition. The heat capacity, thermal diffusivity, and thermal conductivity of the ternary oxide were determined by thermal analysis. Thermodynamic parameters for the CALPHAD dataset have been optimized, and the calculated phase diagrams are discussed.

The solid solution between NbAlO4 and TaAlO4 is stable and continuous. The lattice parameters a, b, and c of Ta1-xNbxAlO4 follow the Vegard law. The calculated isothermal section of the quasiternary system Al2O3-Nb2O5-Ta2O5 at 1300°C is presented.