Estudio de la interacción de cenizas volcánicas con el sistema cerámico de zirconato de lantano y gadolinio sintetizado por reacción en estado sólido

Abstract

Rare earth zirconates are candidates to replace yttria-stabilized zirconia in thermal barrier coatings (TBC) due to their phase stability at high temperatures and their resistance to base particles in calcium and magnesium aluminosilicates such as volcanic ash (VAs), and in turn, have good hardness and modulus of elasticity, important properties to evaluate and observe the impact resistance of the material. The objective of this research work is to study the reaction products generated by the interaction between lanthanum and gadolinium zirconates (LGZO) with ash from the Popocatépetl volcano. For this purpose, compounds of the LGZO system with a pyrochlore-type structure were synthesized using the solid-state reaction method assisted by mechanical grinding and were mixed with the VAs in their natural state, which were compacted and thermally treated at 1250 °C for 1 and 10 a.m. The characterization techniques of X-ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM), and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) were used to determine the characteristics of the materials and the reaction products between these two, subsequently The mixtures were subjected to a nanoindentation test. With the results obtained, the formation of the pyrochlore phase in all-ceramic systems was confirmed. Regarding the VAs, the presence of Si-rich phases was confirmed. Reactive crystallization products were found in the apatite phase, La and Gd silicates, and anorthite, phases that can improve the mitigation effect against the infiltration of VAs and improve the resistance of the TBC. ZrO2-based reprecipitation products were also found.

Los zirconatos de tierras raras son candidatos para sustituir a la zirconia estabilizada con itria en los recubrimientos de barreras térmicas (TBC) debido a su estabilidad de fase a altas temperaturas y a su resistencia a las partículas de base en aluminosilicatos de calcio y magnesio como lo son las cenizas volcánicas (VAs), y a su vez, contar con una buena dureza y módulo de elasticidad, propiedades importantes a evaluar para observar la resistencia al impacto del material. La presente investigación, tiene como objetivo estudiar los productos de reacción generados por la interacción entre los zirconatos de lantano y gadolinio (LGZO) con cenizas del volcán Popocatépetl. Con esta finalidad, se sintetizaron compuestos del sistema LGZO con estructura tipo pirocloro mediante el método de reacción en estado sólido asistido por molienda mecánica y se mezclaron con las VAs en estado natural, los cuales se compactaron y trataron térmicamente a 1250 °C durante 1 y 10 h. Se utilizaron las técnicas de caracterización de Difracción de Rayos-X (DRX), Microscopia Electrónica de Barrido (MEB) y Espectroscopia Infrarroja con Transformada de Fourier (FTIR) para determinar las características de los materiales y los productos de reacción entre estos dos, posteriormente las mezclas se sometieron a una prueba de nanoindentación. Con los resultados obtenidos se corroboró la formación de la fase pirocloro en todos los sistemas cerámicos. En cuanto a las VAs, se confirmó la presencia de fases ricas en Si. Se encontró como producto de cristalización reactiva a la fase apatita, silicatos de La y Gd y anortita, fases que pueden mejorar el efecto de mitigación contra la infiltración de VAs y mejorar la resistencia del TBC, también se encontraron productos de reprecipitación base ZrO2.