Thesis (Ph. D.)--University of Rhode Island, 2006. / Typescript. Includes bibliographical references (leaves 126-134).

Esta tese investigou o efeito da taxa de resfriamento em partículas de Al2O3, Al2O3 - TiO2, e Al2TiO5 aspergidas por pistola a plasma e submetidas a diferentes taxas de resfriamento (alta: aspersão contra um substrato metálico a 100 mm de distância da pistola de plasma, e baixa: contra uma superfície de água, a 300 mm de distância). Os resultados foram avaliados por microscopia eletrônica de varredura (com EDX) e por difração de raio X para a caracterização de fases e cálculo de tamanho de cristalito por Single Line. O óxido Al2TiO5 na forma de pó quase amorfo com composição estequiométrica de tialita (tialita*) aspergido foi obtido por coprecipitação, a partir dos precursores TiCl4 e Al(NO4)3, tratado termicamente a 400, 600, 800, 900, 1000, 1200, 1300 e 1400 °C, com 6 h de patamar. Nos tratamentos térmicos com 6 horas de patamar a 800 °C e mais nitidamente a 900 °C, é identificada a formação parcial da fase tialita; desta forma, foram realizados tratamentos térmicos a 900, 1000 e 1100 °C, porém com 30 minutos de patamar. A Al2O3-a com tamanho de cristalito micrométrico foi obtida para menores taxas de resfriamento. Com o aumento da taxa de resfriamento, predominaram nanocristalitos de alumina Al2O3-g, coexistindo com fase amorfa. Já para a titânia, a fase rutilo pode ser obtida mesmo com altas taxas de resfriamento. Quando a tialita* foi submetida à alta taxa de resfriamento, levou exclusivamente à formação da fase metaestável tialita b como estrutura cristalina. No entanto, o mesmo pó, a taxas de resfriamento não tão altas, resultou na obtenção de tialita b, Al2O3-a e rutilo. Tratamentos térmicos da tialita* propiciaram a formação de tialita b, e incipientemente anatásio, com tamanho de cristalito muito pequeno (abaixo de 30 nm). À medida que a temperatura de tratamento térmico aumentou, surgiram simultaneamente as fases Al2O3-a, rutilo e tialita b. A obtenção de fases metaestáveis só foi possível quando o tamanho de cristalito era pequeno – abaixo de 100 nm, o que evidenciou a importância do número de átomos na superfície, como fator de estabilização (ou metaestabilização) de fases obtidas foras do equilíbrio. / This thesis investigated the effect of cooling rate of Al2O3, Al2O3 - TiO2 and Al2TiO5 particles plasma sprayed and subjected to different cooling rates (high: to spray against a metal substrate to 100 mm away from the plasma gun, and low: against a surface of water, 300 milimeters away). The results were evaluated by scanning electron microscope (with EDX) and X ray diffraction to characterize phases and crystallite size through Single Line. The sprayed Al2TiO5 oxide was a quasi-amorphous powder with stoichiometric composition of tialite (tialita*) obtained by co-precipitation from precursors TiCl4 and Al(NO4)3, heat treated at 400, 600, 800, 900, 1000, 1200, 1300 and 1400 °C with 6 hours of dwell. In the heat treatments with 6 hour of dwell at 800 ° C and more explicitly at 900 °C, is identified partial formation of tialite phase; then, heat treatments were performed at 900, 1000 and 1100 ° C, but with 30 minutes of dwell. Basically, a-Al2O3 with micrometer crystallite size was obtained for smaller cooling rates. By increasing the cooling rate, there were predominantly g-Al2O3 nanocrystallites coexisting with amorphous phase. However, for the titania, the rutile phase could be obtained even with high cooling rates. When tialita* was subjected to high cooling rate, exclusively, metastable b tialite was observed as crystalline phase. However, the same powder, with cooling rates not so high, resulted in b tialite, a-Al2O3 and rutile. Heat treatments of tialita* provided the formation of b tialite, and incipiently anatase with crystallite size very small (below 30 nm). As the heating treatment temperature was increased, there were simultaneously a-Al2O3, rutile and b tialite phases. Metastable phases were obtained only when the crystallite size was small - less than 100 nm. This highlighted the importance of the number of atoms on the surface as a stabilizing factor (or metastabilization) to produce phases out of equilibrium.

Esta tese investigou o efeito da taxa de resfriamento em partículas de Al2O3, Al2O3 - TiO2, e Al2TiO5 aspergidas por pistola a plasma e submetidas a diferentes taxas de resfriamento (alta: aspersão contra um substrato metálico a 100 mm de distância da pistola de plasma, e baixa: contra uma superfície de água, a 300 mm de distância). Os resultados foram avaliados por microscopia eletrônica de varredura (com EDX) e por difração de raio X para a caracterização de fases e cálculo de tamanho de cristalito por Single Line. O óxido Al2TiO5 na forma de pó quase amorfo com composição estequiométrica de tialita (tialita*) aspergido foi obtido por coprecipitação, a partir dos precursores TiCl4 e Al(NO4)3, tratado termicamente a 400, 600, 800, 900, 1000, 1200, 1300 e 1400 °C, com 6 h de patamar. Nos tratamentos térmicos com 6 horas de patamar a 800 °C e mais nitidamente a 900 °C, é identificada a formação parcial da fase tialita; desta forma, foram realizados tratamentos térmicos a 900, 1000 e 1100 °C, porém com 30 minutos de patamar. A Al2O3-a com tamanho de cristalito micrométrico foi obtida para menores taxas de resfriamento. Com o aumento da taxa de resfriamento, predominaram nanocristalitos de alumina Al2O3-g, coexistindo com fase amorfa. Já para a titânia, a fase rutilo pode ser obtida mesmo com altas taxas de resfriamento. Quando a tialita* foi submetida à alta taxa de resfriamento, levou exclusivamente à formação da fase metaestável tialita b como estrutura cristalina. No entanto, o mesmo pó, a taxas de resfriamento não tão altas, resultou na obtenção de tialita b, Al2O3-a e rutilo. Tratamentos térmicos da tialita* propiciaram a formação de tialita b, e incipientemente anatásio, com tamanho de cristalito muito pequeno (abaixo de 30 nm). À medida que a temperatura de tratamento térmico aumentou, surgiram simultaneamente as fases Al2O3-a, rutilo e tialita b. A obtenção de fases metaestáveis só foi possível quando o tamanho de cristalito era pequeno – abaixo de 100 nm, o que evidenciou a importância do número de átomos na superfície, como fator de estabilização (ou metaestabilização) de fases obtidas foras do equilíbrio. / This thesis investigated the effect of cooling rate of Al2O3, Al2O3 - TiO2 and Al2TiO5 particles plasma sprayed and subjected to different cooling rates (high: to spray against a metal substrate to 100 mm away from the plasma gun, and low: against a surface of water, 300 milimeters away). The results were evaluated by scanning electron microscope (with EDX) and X ray diffraction to characterize phases and crystallite size through Single Line. The sprayed Al2TiO5 oxide was a quasi-amorphous powder with stoichiometric composition of tialite (tialita*) obtained by co-precipitation from precursors TiCl4 and Al(NO4)3, heat treated at 400, 600, 800, 900, 1000, 1200, 1300 and 1400 °C with 6 hours of dwell. In the heat treatments with 6 hour of dwell at 800 ° C and more explicitly at 900 °C, is identified partial formation of tialite phase; then, heat treatments were performed at 900, 1000 and 1100 ° C, but with 30 minutes of dwell. Basically, a-Al2O3 with micrometer crystallite size was obtained for smaller cooling rates. By increasing the cooling rate, there were predominantly g-Al2O3 nanocrystallites coexisting with amorphous phase. However, for the titania, the rutile phase could be obtained even with high cooling rates. When tialita* was subjected to high cooling rate, exclusively, metastable b tialite was observed as crystalline phase. However, the same powder, with cooling rates not so high, resulted in b tialite, a-Al2O3 and rutile. Heat treatments of tialita* provided the formation of b tialite, and incipiently anatase with crystallite size very small (below 30 nm). As the heating treatment temperature was increased, there were simultaneously a-Al2O3, rutile and b tialite phases. Metastable phases were obtained only when the crystallite size was small - less than 100 nm. This highlighted the importance of the number of atoms on the surface as a stabilizing factor (or metastabilization) to produce phases out of equilibrium.

Esta tese investigou o efeito da taxa de resfriamento em partículas de Al2O3, Al2O3 - TiO2, e Al2TiO5 aspergidas por pistola a plasma e submetidas a diferentes taxas de resfriamento (alta: aspersão contra um substrato metálico a 100 mm de distância da pistola de plasma, e baixa: contra uma superfície de água, a 300 mm de distância). Os resultados foram avaliados por microscopia eletrônica de varredura (com EDX) e por difração de raio X para a caracterização de fases e cálculo de tamanho de cristalito por Single Line. O óxido Al2TiO5 na forma de pó quase amorfo com composição estequiométrica de tialita (tialita*) aspergido foi obtido por coprecipitação, a partir dos precursores TiCl4 e Al(NO4)3, tratado termicamente a 400, 600, 800, 900, 1000, 1200, 1300 e 1400 °C, com 6 h de patamar. Nos tratamentos térmicos com 6 horas de patamar a 800 °C e mais nitidamente a 900 °C, é identificada a formação parcial da fase tialita; desta forma, foram realizados tratamentos térmicos a 900, 1000 e 1100 °C, porém com 30 minutos de patamar. A Al2O3-a com tamanho de cristalito micrométrico foi obtida para menores taxas de resfriamento. Com o aumento da taxa de resfriamento, predominaram nanocristalitos de alumina Al2O3-g, coexistindo com fase amorfa. Já para a titânia, a fase rutilo pode ser obtida mesmo com altas taxas de resfriamento. Quando a tialita* foi submetida à alta taxa de resfriamento, levou exclusivamente à formação da fase metaestável tialita b como estrutura cristalina. No entanto, o mesmo pó, a taxas de resfriamento não tão altas, resultou na obtenção de tialita b, Al2O3-a e rutilo. Tratamentos térmicos da tialita* propiciaram a formação de tialita b, e incipientemente anatásio, com tamanho de cristalito muito pequeno (abaixo de 30 nm). À medida que a temperatura de tratamento térmico aumentou, surgiram simultaneamente as fases Al2O3-a, rutilo e tialita b. A obtenção de fases metaestáveis só foi possível quando o tamanho de cristalito era pequeno – abaixo de 100 nm, o que evidenciou a importância do número de átomos na superfície, como fator de estabilização (ou metaestabilização) de fases obtidas foras do equilíbrio. / This thesis investigated the effect of cooling rate of Al2O3, Al2O3 - TiO2 and Al2TiO5 particles plasma sprayed and subjected to different cooling rates (high: to spray against a metal substrate to 100 mm away from the plasma gun, and low: against a surface of water, 300 milimeters away). The results were evaluated by scanning electron microscope (with EDX) and X ray diffraction to characterize phases and crystallite size through Single Line. The sprayed Al2TiO5 oxide was a quasi-amorphous powder with stoichiometric composition of tialite (tialita*) obtained by co-precipitation from precursors TiCl4 and Al(NO4)3, heat treated at 400, 600, 800, 900, 1000, 1200, 1300 and 1400 °C with 6 hours of dwell. In the heat treatments with 6 hour of dwell at 800 ° C and more explicitly at 900 °C, is identified partial formation of tialite phase; then, heat treatments were performed at 900, 1000 and 1100 ° C, but with 30 minutes of dwell. Basically, a-Al2O3 with micrometer crystallite size was obtained for smaller cooling rates. By increasing the cooling rate, there were predominantly g-Al2O3 nanocrystallites coexisting with amorphous phase. However, for the titania, the rutile phase could be obtained even with high cooling rates. When tialita* was subjected to high cooling rate, exclusively, metastable b tialite was observed as crystalline phase. However, the same powder, with cooling rates not so high, resulted in b tialite, a-Al2O3 and rutile. Heat treatments of tialita* provided the formation of b tialite, and incipiently anatase with crystallite size very small (below 30 nm). As the heating treatment temperature was increased, there were simultaneously a-Al2O3, rutile and b tialite phases. Metastable phases were obtained only when the crystallite size was small - less than 100 nm. This highlighted the importance of the number of atoms on the surface as a stabilizing factor (or metastabilization) to produce phases out of equilibrium.

The corrosion resistance of two commercially available SiC filter materials coated with Mg-doped Al₂ TiO₅ and (Ca _0.6.6' Mg_0.52) Zr₄P₆O₂₄ (CMZP) was investigated in high-temperature high pressure (HTHP) alkali-steam environments. Coated specimen properties, including cold and hot compressive strengths, bulk density, apparent porosity, permeability, and weight change, detected after exposure to 92% air-S% steam 10 ppm Na at 8OO°C and 1.8 MPs for 500 h were compared with those of uncoated specimens. Procedures for applying homogeneous coatings of Mg-doped Al₂ TiO₅ and CMZP to porous SiC filters were established and coating of the materials was successfully accomplished. Efforts to stabilize the Al₂ TiO₅ coating composition at elevated temperature were successful. Coatings show promise for providing improved corrosion resistance of the materials in pressurized fluidized bed combustion (PFBC) environments as evidenced by higher compressive strengths exhibited by coated SiC specimens than by uncoated SiC specimens following HTHP alkali-steam exposure. / Master of Science

O objetivo desta dissertação foi estudar a produção de pós de titanato de alumínio - tialita - pelo processo sol-gel associado à aspersão térmica por plasma. Foram investigados 3 tipos de solventes (etilenoglicol, álcool etílico e água) para a obtenção de um pó com características adequadas para a aplicação por aspersão ténnica a plasma. Os pós foram preparados por co-precipitação de sais inorgânicos de titânio e alumínio através da desestabilização das soluções com uma base forte. Os produtos obtidos foram então secos, calcinados em diferentes temperaturas, observando a evolução das fases. Alternativamente, pós pré-calcinados foram submetidos à aspersão térmica a plasma contra um recipiente com água, e contra um substrato de aço baixo carbono, proporcionando um resfriamento rápido. Os pós obtidos foram caracterizados por análises terrnodiferenciais (ATD) e termogravimétricas (ATG), análise granulométrica por difração de laser, análise da evolução de fases em função da temperatura de calcinação (e após aspersão térmica) por difração de raios X, análise da homogeneidade química e morfologia das partículas utilizando microscopia eletrônica de varredura (MEV) com o auxílio de espectrômetro de energia dispersiva (EDS). Os resultados mostraram que é possível obter, via sol-gel, matérias-primas adequadas para a formação da fase tialita após calcinação a temperaturas acima de 1300°C ou calcinando-se a cerca de 600°C e aspergindo em chama plásmica. Os diferentes solventes utilizados proporcionaram a produção de pós com diferentes morfologias e graus de homogeneidade química. Os pós apresentaram uma distribuição de titânio e alumínio na mesma partícula, sendo que a utilização de etilenoglicol corno solvente levou à maior homogeneidade. Com menores taxas de aquecimento nas calcinações (150Kfh), em temperaturas entre 800 e 1200°C, ocorre a segregação desses elementos com formação e crescimento de grãos de rutila e coríndon. Já com o rápido aquecimento e resfriamento, característicos da aspersão térmica por chama plásmica, a fase final preponderante é a tialita, tanto com resfriamento em água quanto no resfriamento sobre um substrato. / This work has the purpose of studying the production of a ceramic powder of aluminurn titanate - tialita - by sol-gel process associated with plasma spraying. Three kinds of solvents (ethyleneglicol, ethyl alcohol, and distillated water) were investigated in order to obtain a powder with adequate characteristics to be used as feedstock in plasma spray technique. The powders were made by co-prectpttation of inorganic salts of titanium and aluminurn through destabilization of the solutions using a strong base. The products obtained were dried, calcinated at different temperatures with attention to the phase evolution. Alternately, powders pré-calcinated were submitted to plasma thermal spraying in water and in a low-carbon steel substrate, providing an intense cooling rate. The powders obtained were characterized by differential thermal analysis (DT A) and thermogravimetric analysis (TGA), particle size analysis by laser diffraction, phase evaluation in function of calcinations temperature by X ray diffraction, chemical homogeneity and particle morphology using scanning electron microscopy (SEM) with energy dispersive spectrometer (EDS). The results showed that is possible obtain, by sol-gel, adequate feedstock to formation of tialita phase after calcinations at temperatures above 1300°C, or calcining at temperatures near 600°C followed by thermal spraying with plasma flame. The different kinds of solvents used, propitiated the production of powders with different morphologies and degrees of chemical homogeneity. With low heating rates in calcinations (150Kih), at temperatures between 800°C and 1200°C, occurs the segregation of aluminum and titaniurn with formation and growing of corundum and rutile phases. Since with fast heating and cooling propitiate by plasma spraying, the preponderant final phase is tialite in the substrate (water or metallic) aspersion.

O objetivo desta dissertação foi estudar a produção de pós de titanato de alumínio - tialita - pelo processo sol-gel associado à aspersão térmica por plasma. Foram investigados 3 tipos de solventes (etilenoglicol, álcool etílico e água) para a obtenção de um pó com características adequadas para a aplicação por aspersão ténnica a plasma. Os pós foram preparados por co-precipitação de sais inorgânicos de titânio e alumínio através da desestabilização das soluções com uma base forte. Os produtos obtidos foram então secos, calcinados em diferentes temperaturas, observando a evolução das fases. Alternativamente, pós pré-calcinados foram submetidos à aspersão térmica a plasma contra um recipiente com água, e contra um substrato de aço baixo carbono, proporcionando um resfriamento rápido. Os pós obtidos foram caracterizados por análises terrnodiferenciais (ATD) e termogravimétricas (ATG), análise granulométrica por difração de laser, análise da evolução de fases em função da temperatura de calcinação (e após aspersão térmica) por difração de raios X, análise da homogeneidade química e morfologia das partículas utilizando microscopia eletrônica de varredura (MEV) com o auxílio de espectrômetro de energia dispersiva (EDS). Os resultados mostraram que é possível obter, via sol-gel, matérias-primas adequadas para a formação da fase tialita após calcinação a temperaturas acima de 1300°C ou calcinando-se a cerca de 600°C e aspergindo em chama plásmica. Os diferentes solventes utilizados proporcionaram a produção de pós com diferentes morfologias e graus de homogeneidade química. Os pós apresentaram uma distribuição de titânio e alumínio na mesma partícula, sendo que a utilização de etilenoglicol corno solvente levou à maior homogeneidade. Com menores taxas de aquecimento nas calcinações (150Kfh), em temperaturas entre 800 e 1200°C, ocorre a segregação desses elementos com formação e crescimento de grãos de rutila e coríndon. Já com o rápido aquecimento e resfriamento, característicos da aspersão térmica por chama plásmica, a fase final preponderante é a tialita, tanto com resfriamento em água quanto no resfriamento sobre um substrato. / This work has the purpose of studying the production of a ceramic powder of aluminurn titanate - tialita - by sol-gel process associated with plasma spraying. Three kinds of solvents (ethyleneglicol, ethyl alcohol, and distillated water) were investigated in order to obtain a powder with adequate characteristics to be used as feedstock in plasma spray technique. The powders were made by co-prectpttation of inorganic salts of titanium and aluminurn through destabilization of the solutions using a strong base. The products obtained were dried, calcinated at different temperatures with attention to the phase evolution. Alternately, powders pré-calcinated were submitted to plasma thermal spraying in water and in a low-carbon steel substrate, providing an intense cooling rate. The powders obtained were characterized by differential thermal analysis (DT A) and thermogravimetric analysis (TGA), particle size analysis by laser diffraction, phase evaluation in function of calcinations temperature by X ray diffraction, chemical homogeneity and particle morphology using scanning electron microscopy (SEM) with energy dispersive spectrometer (EDS). The results showed that is possible obtain, by sol-gel, adequate feedstock to formation of tialita phase after calcinations at temperatures above 1300°C, or calcining at temperatures near 600°C followed by thermal spraying with plasma flame. The different kinds of solvents used, propitiated the production of powders with different morphologies and degrees of chemical homogeneity. With low heating rates in calcinations (150Kih), at temperatures between 800°C and 1200°C, occurs the segregation of aluminum and titaniurn with formation and growing of corundum and rutile phases. Since with fast heating and cooling propitiate by plasma spraying, the preponderant final phase is tialite in the substrate (water or metallic) aspersion.

O objetivo desta dissertação foi estudar a produção de pós de titanato de alumínio - tialita - pelo processo sol-gel associado à aspersão térmica por plasma. Foram investigados 3 tipos de solventes (etilenoglicol, álcool etílico e água) para a obtenção de um pó com características adequadas para a aplicação por aspersão ténnica a plasma. Os pós foram preparados por co-precipitação de sais inorgânicos de titânio e alumínio através da desestabilização das soluções com uma base forte. Os produtos obtidos foram então secos, calcinados em diferentes temperaturas, observando a evolução das fases. Alternativamente, pós pré-calcinados foram submetidos à aspersão térmica a plasma contra um recipiente com água, e contra um substrato de aço baixo carbono, proporcionando um resfriamento rápido. Os pós obtidos foram caracterizados por análises terrnodiferenciais (ATD) e termogravimétricas (ATG), análise granulométrica por difração de laser, análise da evolução de fases em função da temperatura de calcinação (e após aspersão térmica) por difração de raios X, análise da homogeneidade química e morfologia das partículas utilizando microscopia eletrônica de varredura (MEV) com o auxílio de espectrômetro de energia dispersiva (EDS). Os resultados mostraram que é possível obter, via sol-gel, matérias-primas adequadas para a formação da fase tialita após calcinação a temperaturas acima de 1300°C ou calcinando-se a cerca de 600°C e aspergindo em chama plásmica. Os diferentes solventes utilizados proporcionaram a produção de pós com diferentes morfologias e graus de homogeneidade química. Os pós apresentaram uma distribuição de titânio e alumínio na mesma partícula, sendo que a utilização de etilenoglicol corno solvente levou à maior homogeneidade. Com menores taxas de aquecimento nas calcinações (150Kfh), em temperaturas entre 800 e 1200°C, ocorre a segregação desses elementos com formação e crescimento de grãos de rutila e coríndon. Já com o rápido aquecimento e resfriamento, característicos da aspersão térmica por chama plásmica, a fase final preponderante é a tialita, tanto com resfriamento em água quanto no resfriamento sobre um substrato. / This work has the purpose of studying the production of a ceramic powder of aluminurn titanate - tialita - by sol-gel process associated with plasma spraying. Three kinds of solvents (ethyleneglicol, ethyl alcohol, and distillated water) were investigated in order to obtain a powder with adequate characteristics to be used as feedstock in plasma spray technique. The powders were made by co-prectpttation of inorganic salts of titanium and aluminurn through destabilization of the solutions using a strong base. The products obtained were dried, calcinated at different temperatures with attention to the phase evolution. Alternately, powders pré-calcinated were submitted to plasma thermal spraying in water and in a low-carbon steel substrate, providing an intense cooling rate. The powders obtained were characterized by differential thermal analysis (DT A) and thermogravimetric analysis (TGA), particle size analysis by laser diffraction, phase evaluation in function of calcinations temperature by X ray diffraction, chemical homogeneity and particle morphology using scanning electron microscopy (SEM) with energy dispersive spectrometer (EDS). The results showed that is possible obtain, by sol-gel, adequate feedstock to formation of tialita phase after calcinations at temperatures above 1300°C, or calcining at temperatures near 600°C followed by thermal spraying with plasma flame. The different kinds of solvents used, propitiated the production of powders with different morphologies and degrees of chemical homogeneity. With low heating rates in calcinations (150Kih), at temperatures between 800°C and 1200°C, occurs the segregation of aluminum and titaniurn with formation and growing of corundum and rutile phases. Since with fast heating and cooling propitiate by plasma spraying, the preponderant final phase is tialite in the substrate (water or metallic) aspersion.

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