NdAl - LIFE11 ENV/ES/560

Tratamiento de Materiales Cerámicos en el
Sistema Horno Láser
I. de Francisco1, J. A. Bea2, A. Vegas3*, J. B. Carda4 and G. F. de la Fuente1*
1LAL-Instituto
de Ciencia de Materiales de Aragón (CSIC-Univ. Zaragoza), 50018 Zaragoza
de Mecánica Estructural y Modelado de Materiales, Instituto Universitario de Investigación en
Ingeniería de Aragón (I3A), Universidad de Zaragoza, 50018 Zaragoza
3CSIC y Universidad de Burgos, Edificio I+D+I, Plaza Misael Bañuelos s/n, 09001 Burgos
4Dept. Química Inorgànica i Orgànica, Universitat Jaume I,12071, Castellón de la Plana
2Grupo
Sesión Difusión de Proyectos Europeos
Antecedentes
Itrio Gadolinio Composición nominal precursores Composición final recubrimiento Y1 (YAlO3) Al2O3/Y3Al5O12 (YAG) Eutec@co Y2 (Y3Al5O12) G1 (GdAlO3) G2 (Gd3Al5O12) Al2O3/ GdAlO3 (GAP) Eutec@co Objectivos
Preparación de recubrimientos de Nd-Al-O sobre sustrato de Al2O3
policristalina partiendo de mezclas de oxido de neodimio y óxido
de aluminio
Uso del sistema horno-láser para la síntesis “in-situ” de los
recubrimientos por la técnica de la Fusión Zonal Láser (LZM)
Estudio de las relaciones de fase que gobiernan el acoplamiento
entre recubrimiento y sustrato
Experimental
Precursores
Dip-coating
Composición nominal precursores Nd2O3(w%) Al2O3(w%) (w%) solidos en alcohol isopropílico (Nd1) NdAlO3 (perovskita) 76,75 23,25 62 (Nd2) Nd3Al5O12 (granate) 66,5 33,5 65 Experimental
Fusión Zonal Láser
Sistema Horno-Láser
Parámetros
Potencia (W)
350
Frecuencia del pulso
(kHz)
20
Duty Cycle (%)
50
Distancia focal (mm)
950
Diámetro spot (mm)
0.8
Longitud línea
tratamiento (mm)
40
Velocidad spot X-X
mm/s
30-60
Velocidad movimiento
muestra Y-Y, mm/h
1500-3000
Temperatura horno, ºC
700-1200
Patent: USPC: 20090230105 Continuous Furnace with Coupled Laser for the
Surface Treatment of Materials 09-17-2009
Resultados y discusión
Composición nominal par?da (Nd1) NdAlO3 (perovskita) (Nd2) Nd3Al5O12 (granate) Espesor recubrimiento: 130-350 µm
Composición final recubrimiento NdAlO3/NdAl11O18 (eutec@co) Resultados y discusión
Nd1
Resultados y discusión
Nd1
Resultados y discusión
Nd2
Resultados y discusión
Intensity(Counts)
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
Corundum - Al2O3
AlNdO3 - Aluminum Neodymium Oxide
La0.9Al11.76O19 - Lanthanum Aluminum Oxide
10
20
30
40
50
60
70
2500
80
2-Theta(°)
Intensity(Counts)
2000
1500
1000
Intensity(Counts)
2000
500
1500
0
00-039-0487> AlNdO3 - Aluminum Neodymium Oxide
01-078-2426> Al2O3 - Aluminum Oxide
1000
00-048-1609> NdAl11O18 - Aluminum Neodymium Oxide
10
0
43-1484> Corundum - Al2O3
39-0487> AlNdO3 - A luminum Neodymium Oxide
28-0502> Al22La2O36 - A luminum Lant hanum Oxide
10
20
30
40
50
Two-Theta (deg)
500
20
30
40
50
2-Theta(°)
60
70
80
60
70
Resultados y discusión
Composición
nominal
Nd2O3(mol%)
Al2O3(mol%)
NdAlO3
50
50
Nd3Al5O12
37.5
62.5
NdAlO3/NdAl11O18
20
80
Radiación Láser
Fundido
Convección
Sustrato no tratado
Resultados y discusión
NdAlO3 Zona difusión ≈ 150 µm
NdAl11O18 Zona difusión ≈ 50 µm
Resultados y discusión
Nd1
NdAl11O18
Difussion zone ≈ 50 µm
NdAlO3
Difussion zone ≈ 150 µm
Resultados y discusión
Espectro
No
1
2
3
4
5
6
7
8
Nd (NdAl11O18)
(% atómico Nd)
2.76
0.92
-
Nd(NdAlO3)
(% atómico Nd)
1.86
1.00
1.16
0.82
0.80
-
Resultados y discusión
Nanoindentación
Composición nominal Dureza media (Gpa) (Nd1) NdAlO3 (perovskita) 18.48 (Nd2) Nd3Al5O12 (granate) 18,91 Alúmina policristalina 17.68 Resultados y discusión: Cristalografía
Conceptos propuestos por A.Vegas*: Importancia de las sub-redes catiónicas
en los óxidos inorgánicos
Similitud química y estructural entre las subredes
catiónicas de las distintas fases de un eutéctico
La conservación de las estructuras de las correspondientes
aleaciones ofrece una explicación a los fenómenos
observados en estos experimentos
-LnAl2 (Ln lantanido), con la estructura de la fase de Laves (MgCu2)
puede ilustrar el concepto en este caso
*A.
Ramos-Gallardo, A. Vegas, J. Solid State Chem. 1997 128, 69-72
A. Vegas, Crystallogr. Rev. 2000, 7, 189-286
Resultados y discusión: Cristalografía
LnAl2→LnAlO3 (estructura metaestable B.C.C. - CsCl desordenado)
LnAl2, con la estructura de la fase de Laves cúbica (MgCu2) pasa a ser una
estructura metaestable tipo CsCl (LnAlO3).
Esta transformación es similar NbCr2→B.C.C.
B. Mayer, H. Anton, E. Bott, M. Methfessel, J. Sticht, J. Harris, P.C. Schmidt, Intermetallics 2003, 11,
23.
NdAl2→NdAlO3
NdAl11O18 estructura hexagonal β-Al2O3
NdAlO3 estructura de perovskita romboedricamente distorsionada, con
fragmentos de estructura hexagonal. Esto permite que las dos fases crezcan
acopladas entre si y con el sustrato.
Resultados y discusión: Cristalografía
β-Al2O3
NdAlO3
NdAl2→NdAlO3
NdAl11O18 estructura hexagonal β-Al2O3
NdAlO3 estructura de perovskita romboedricamente distorsionada, con
fragmentos de estructura hexagonal. Esto permite que las dos fases crezcan
acopladas entre si y con el sustrato.
Conclusiones
Se ha utilizado un novedoso sistema horno-láser para obtener
recubrimientos de aluminato de neodimio sobre sustrato de alúmina
usando el método de Fusión Zonal asistida por Láser como proceso
“in-situ”
Los recubrimientos eutécticos han sido sintetizados a partir de
diferentes composiciones estequiométricas.
La formación de las microestructuras eutécticas ha tenido lugar
gracias a la participación activa del sustrato en la reacción con los
precursores depositados
De acuerdo con los conceptos expuestos por Vegas, el
mantenimiento de la estructura en los óxidos de sus correspondientes
aleaciones puede ofrecer una explicación al recubrimiento obtenido
Agradecimientos
Projecto ‘LASERFIRING’ LIFE Programme (EU)
LIFE09 ENV/ES/435
Projecto ‘CERAMGLASS’ LIFE Programme (EU)
LIFE11 ENV/ES/560
Programa JAEDOC (CSIC)
MAT2010-18519 “Materiales GRIN Activos para
Conformado de Haces ”
Grupo DGA T87 Laboratorio de Aplicaciones Láser
Gracias por su atención