Síntesis y fabricación de cerámicos y recubrimientos de barrera térmica de zirconato de lantano-gadolinio para evaluar su reactividad con cenizas volcánicas

Abstract

The effects of ingestion of airborne particles from pyroclastic events of actives volcanoes by aircraft turbines and the subsequent reaction with the thermal barrier coatings have attracted the attention of the scientific community in recent years. The reactions products of infiltration experiments, at 1250ºCfor 10 h, of the ceramics and thermal barrier coatings of lanthanum-gadolinium zirconates with molten volcanic ashes from Colima, Popocatepetl and Eyjafjallajökull volcanoes are presented and discussed as function of the Gd3+content. In the ceramics, five compositions, varying the Gd3+ contenting the solid solutions, were synthesized by the coprecipitation-calcination method and later pressing and sintering. These compositions include pure lanthanum and gadolinium zirconates, respectively. The study of the infiltration depth and identification, and in some cases quantification, of the reaction products between the molten volcanic ashes and the ceramics is carried out by scanning electron microscopy, chemical composition with energy dispersive X-ray spectroscopy, grazing incident X-ray diffraction as well as Raman spectroscopy. The LZO ceramics presented the greatest infiltration resistance against all the molten volcanic ashes assessed. The phase characteristics and the reaction layers exhibit dependency with the gadolinium content in the lanthanum-gadolinium ceramics and show the presence of phases of apatites, monoclinic zirconia, tetragonal zirconia, cubic zirconia, spinel, anorthite and garnet depending on the interaction assessed. Additionally, the infiltration, at 1250ºCfor 1, 5 and 10 h; of the volcanic ashes deposited over gadolinium-zirconate-based thermal barrier coatings, manufactured by atmospheric plasma spray with a spray gun METCO 9MB. Afterwards, the study of infiltrated coating’s the reaction layers and phase characterizations were performed by scanning electron microscopy and Raman spectroscopy.

Los efectos de la ingestión de partículas silíceas provenientes de eventos piroclásticos de volcanes activos por turbinas de aviones y la subsecuente reacción con los recubrimientos de barrera térmica ha captado la atención de la comunidad científica en años recientes. Los productos de reacción de los experimentos de infiltración, a 1250 °C durante 10 h, de los cerámicos y recubrimientos de zirconatos de lantano-gadolinio con cenizas volcánicas fundidas de Colima, Popocatépetl y Eyjafjallajökull se presentan y discuten como función del contenido de Gd3+. En los cerámicos, se sintetizaron cinco composiciones, variando el contenido de Gd3+ en la solución sólida, mediante el método de coprecipitación, calcinación, prensado de polvos y sinterización. Estas composiciones incluyen los zirconatos de lantano y gadolinio puros. El estudio de la profundidad de infiltración e identificación, y en algunos casos cuantificación, de los productos de reacción entre las cenizas volcánicas fundidas y los sistemas cerámicos se llevó a cabo mediante microscopia electrónica de barrido, composición química medida mediante espectroscopia de rayos X con energía dispersiva, difracción de rayos X de incidencia rasante y espectroscopia Raman. Los cerámicos de zirconato de lantano presentaron la mayor resistencia a la infiltración con todas las cenizas volcánicas evaluadas. Las características de las fases de las regiones de reacción exhiben dependencia del contenido de gadolinio de los cerámicos de zirconato de lantano gadolinio y mostraron la presencia de fase de apatita, zirconia monoclínica, zirconia tetragonal, zirconia cubica, espinela, anortita y garnet, dependiendo las interacciones. Adicionalmente, se estudió la infiltración, a 1250 °C durante 1, 5 y 10 h; de las cenizas volcánicas en recubrimientos de barrera térmica de zirconato de gadolinio, fabricados mediante rociado atmosférico por plasma usando una pistola de rociado METCO 9MB. Posteriormente, la región de reacción se estudió mediante microscopia electrónica de barrido y espectroscopia Raman.