Low-temperature degradation of zirconium oxide ceramics

Abstract

Zirconium oxide ceramics have tendency to degrade in elevated temperature and pressure water and steam environments due to tetragonal to monoclinic phase transformation, which occurs in zirconia microstructure. This phenomenon has been known among scientists for roughly 40 years, and it is called low-temperature degradation (LTD), or hydrothermal degradation. Phase transformation can be minimized or even prevented using different stabilizing materials with zirconium oxide.

In this thesis low-temperature degradation of yttrium oxide, magnesium oxide and cerium oxide stabilized zirconium oxide ceramics were evaluated. Ceramic samples were hydrothermally treated in water at 200 bar pressure and 300 °C temperature inside an autoclave between 72 to 216 hours. Volume, mass and density of the ceramics were measured before and after the hydrothermal treatments. SEM, EDS and XRD analyses were also performed to assess possible changes in the zirconium oxide microstructure. Three phenomenological models using Avrami equation were created. The models can be used in the future to predict the tetragonal to monoclinic phase transformations of these three ceramic materials in the same environment.

Yttrium and magnesium oxide stabilized zirconium oxide samples suffered only minor changes from the hydrothermal tests. Yttria stabilized samples maintained the tetragonal phase throughout the test procedures, while monoclinic phase of magnesia stabilized samples increased from initial value of 4 % up to 6 %. Instead, ceria stabilized samples suffered from significant loss of mass and undergone tetragonal to monoclinic phase transformation. Monoclinic phase content increased from initial value of 2 % up to 82 %. According to the results of this thesis, yttria stabilized zirconium oxide with additional aluminium oxide as a stabilizer is the recommended material in this environment.

Zirkoniumoksidi keraameilla on taipumus haurastua korotetun lämpötilan ja paineen vesi- ja höyry-ympäristöissä johtuen tetragonisen faasin muutoksesta monokliiniseksi faasiksi, joka tapahtuu zirkoniumoksidin mikrorakenteessa. Tämä ilmiö on ollut tiedeyhteisön tiedossa yli 40 vuotta, ja sitä kutsutaan nimellä matalan lämpötilan haurastuminen, tai hydroterminen haurastuminen. Faasimuutos voidaan minimoida tai estää kokonaan käyttämällä eri stabilointiaineita zirkoniumoksidin kanssa.

Tässä opinnäytetyössä tutkittiin yttrium-, magnesium- ja ceriumoksideilla stabiloitujen zirkoniumoksidi keraamien matalan lämpötilan haurastumista. Keraaminäytteille tehtiin hydrotermiset testit vedessä 200 bar paineessa ja 300 °C lämpötilassa autoklaavin sisällä 72-216 tunnin ajan. Keraamien tilavuus, massa ja tiheys laskettiin ennen ja jälkeen testien. SEM-, EDS- ja XRD-analyyseillä mahdolliset muutokset zirkoniumoksidin mikrorakenteessa voitiin arvioida. Kolme fenomenologista mallinnusta luotiin käyttämällä Avramin yhtälöä. Näillä malleilla voidaan tulevaisuudessa ennustaa kyseisien keraamien faasimuutoksia samaisessa ympäristössä.

Yttrium- ja magnesiumoksideilla stabiloidut zirkoniumoksidi näytteet muuttuivat vain vähän hydrotermisissä testeissä. Yttriumoksidilla stabiloidut näytteet säilyttivät tetragonisen faasin testien läpi, kun taas monokliininen faasiosuus magnesiumoksidilla stabiloiduissa näytteissä nousi alkuperäisestä 4 prosentista 6 prosenttiin. Ceriumoksidilla stabiloidut näytteet kärsivät korkeasta massan vähennyksestä ja faasimuutoksesta. Monokliinisen faasin osuus nousi alkuperäisestä 2 prosentista 82 prosenttiin. Tämän opinnäytetyön tulosten perusteella yttriumoksidilla stabiloitu zirkoniumoksidi, jossa alumiinioksidia on toisena stabilointiaineena, on suositeltu materiaali kyseiseen ympäristöön.