Residual stresses are generally considered to be the driving forces for the failure of APS TBCs. In this thesis, the residual stress distribution as a function of depth in APS TBC has been measured by synchrotron XRD and explained by image based modelling based on the microstructure detailed studied by SEM and CT. The residual stress/ strain distribution as a function of depth was measured by synchrotron XRD in transmission and reflection geometry. The residual stress/ strain values were analysed using full pattern Rietveld refinement, the sin square psi method and XRD2 method. For the reflection geometry, a new method was developed to deconvolute the residual stress value in each depth from the measured averaged values. Two types of residual stress/strain distribution were observed. The first kind of residual stress was found to be compressive and followed a non-linear trend, which increased from the surface to the interface, decreased slightly and increased again to the interface. This trend showed a jump feature near the interface. The second kind of residual stress distribution possessed two jump features: one near the interface similar to the first kind and another jump feature near the sample surface. The residual stress in both beta and gama phase in the bond coat were also investigated which showed a tensile stress state. The stress trend predicted by our analytical model followed a linear relationship. Comparing this with the first kind of residual stress distribution, two main differences were shown. Firstly the jump feature near the interface and secondly the much larger overall stress gradient. The 3D and 2D microstructure of the sample with the first kind of residual stress distribution was observed by X-ray CT and SEM. The effect of pores, inter-splat cracks and the rumpling interface on the residual stress distribution was investigated by image based modelling. It was proved that the pores and the inter-splat cracks had no large influence on the stress distribution and the jump feature near the interface was a result of the rumpling interface. The much larger stress gradient observed in the measured residual stress distribution was an indication of the stress relaxation in the coating which was proved by a specially designed mechanical test. To explain the jump feature near the sample surface in the second kind of stress distribution. 3D microstructures of the measured samples were observed using X-ray CT. The effect of vertical and the side cracks on the stress distribution were investigated by image based modelling. It was found that the vertical crack had no large influence on the residual stress distribution and the jump feature in the stress trend near the surface could be attributed to the side crack. The effect of other kinds of cracks that were not directly observed in our samples, such as middle or through side cracks, were also investigated. These results were used to develop a semi-destructive method to determine the existence and distribution of cracks in APS TBC.

Arsenic contamination of groundwater associated with mining operations is a widespread problem across the globe. The release of arsenic (As) into the environment occurs naturally by oxidation of exposed sulfide minerals. In the case of gold ores, the mining and beneficiation may also produce As-bearing wastes and this can accelerate the natural mechanisms of As mobilization. The Bakyrchik is the largest gold deposit in Kazakhstan and one of the largest in the world. Gold (Au) is dispersed in pyrite and arsenopyrite in the form of microscopic inclusions. Despite the fact that only 10% of gold ore has been mined to date, it has left behind a dangerous As-containing legacy. Speciation of As has been determined for samples from Bakyrchik to understand the post-processing environment and the mobility of arsenic in the mining-influenced area. As(III) and As(V) have been detected in water samples using HPLC-ICP-MS. The variability of As species across the narrow pH and Eh range indicates that biogeochemical processes can play a role in the speciation of As in water at the study site. In order to understand processes controlling As mobilization in water, the solid phase speciation of As in Bakyrchik sediments, soil, and metallurgical processing products has been investigated using XRD and EPMA. This revealed arsenopyrite, As-bearing pyrite, and their alteration products containing up to 25% As, iron oxides and oxyhydroxides (with up to 2.5% As), haidingerite, and calcium arsenate in studied samples. Sequential extraction demonstrated that in soil and sediment samples As is associated mainly with Al and amorphous Fe oxyhydroxides. Results suggest that the main mechanisms controlling As mobility in Bakyrchik are dilution with regional waters, adsorption onto iron and aluminium oxyhydroxides, and co-precipitation of dissolved As with alteration products of sulfide minerals. Assessment of As bioaccessibility through inhalation demonstrates its strong dependence on the mineralogy rather than on total As content of the solid samples. Calculated cancer and non-cancer risks of inhalation exposure imply that all samples are highly hazardous for human health. With the depletion of the oxide lode ore deposits, gold extraction is moving towards the mining of technologically difficult ores, such as those found at Bakyrchik. A new method of Au recovery from double refractory Au-As-bearing concentrates has been developed, allowing recovery of 97% of Au, and the conversion of up to 95% As into iron-arsenic alloy. Fe-As alloy can contain up to 40% As, and do not require further solidification/stabilisation prior to disposal. The method has been published as a patent with the Patent Office of the Republic of Kazakhstan. Quantitative phase composition of the Fe-As alloy, has been determined by EPMA, QEMSCAN, X-ray and neutron diffraction. Toxicity and solubility of Fe-As alloy in aqueous solutions have been characterised. High-temperature structural behaviour of Fe-As alloy and Fe$_{2}$As in inert atmosphere has been determined by $\textit{in situ}$ synchrotron XRD. Results of the study support the development of the new method as an efficient alternative for processing double refractory Au-As-bearing concentrates.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sind die Struktur und die Wasserstoffsorptionseigenschaften neuer nanokristalliner, hydridbildender magnesiumbasierter Legierungen, die mittels Rascherstarrung (Melt-Spinning Verfahren) hergestellt wurden, untersucht worden. Der Schwerpunkt der Arbeit bestand in der Erforschung der Vorgänge während der Aktivierung und der zyklischen Hydrierung/Dehydrierung der rascherstarrten Mg-Legierungen. Zusätzlich wurde das Gefüge, das sich nach der Kristallisation, Aktivierung bzw. Hydrierung einstellt, seine Erhaltung und Auswirkung auf das H2-Speicherverhalten (Struktur-Eigenschafts-Beziehungen) untersucht. Die für die Verbesserung der Kinetik des H2-Speicherverhaltens angestrebte Nanostruktur konnte nach der Hydrierung der rascherstarrten Legierungen erreicht werden. Die REM-, TEM- sowie EFTEM (EELS)-Untersuchungen zeigten, dass ein Y-Zusatz zu Mg-basierten Legierungen zu einer sehr feinen (ca. 50 nm) und homogenen Verteilung von Y-Hydriden im Gefüge der rascherstarrten Bänder führt. Mg2Ni-Hydride bilden dagegen größere Körner im Größenbereich von 2-3 µm. Bei den Cu-haltigen Legierungen wurde eine Koexistenz von Mg2NiH4 und MgCu2 in direkter Nachbarschaft nachgewiesen. Detaillierte Untersuchungen der Wasserstoffabsorption haben gezeigt, dass die Chemisorption während des linearen Anfangsbereiches des Hydrierungsverlaufes geschwindigkeitsbestimmend ist. Nach dem linearen Hydrierungsverlauf ist die Hydrierungskinetik von der Wasserstoffdiffusion durch eine geschlossene Hydridschicht beeinflusst. Mit dem breiten Spektrum der Untersuchungen (REM, EELS, TEM, HP-TGA, DSC, in situ-Synchrotron-XRD) als auch durch gezielte Variation der Zusammensetzungen wurden neue und grundlegende Erkenntnisse zum H2-Speicherverhalten der rascherstarrten Mg-basierten Legierungssysteme gewonnen. Besondere Beachtung verdient die Mg90Ni8Y1,6SE0,4-Legierung. Durch die Möglichkeit einer einfachen Herstellung, ihre schnelle Reaktionskinetik, ihren hohen Wasserstoffgehalt (bis zu 5,6 Gew.%) und ihre gute Zyklenstabilität eignet sich diese Legierung zur sicheren, volumeneffizienten sowie leichtgewichtigen Speicherung von Wasserstoff. Damit kann Wasserstoff gespeichert, transportiert und als CO2-freier Sekundärenergieträger in stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt werden.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sind die Struktur und die Wasserstoffsorptionseigenschaften neuer nanokristalliner, hydridbildender magnesiumbasierter Legierungen, die mittels Rascherstarrung (Melt-Spinning Verfahren) hergestellt wurden, untersucht worden. Der Schwerpunkt der Arbeit bestand in der Erforschung der Vorgänge während der Aktivierung und der zyklischen Hydrierung/Dehydrierung der rascherstarrten Mg-Legierungen. Zusätzlich wurde das Gefüge, das sich nach der Kristallisation, Aktivierung bzw. Hydrierung einstellt, seine Erhaltung und Auswirkung auf das H2-Speicherverhalten (Struktur-Eigenschafts-Beziehungen) untersucht. Die für die Verbesserung der Kinetik des H2-Speicherverhaltens angestrebte Nanostruktur konnte nach der Hydrierung der rascherstarrten Legierungen erreicht werden. Die REM-, TEM- sowie EFTEM (EELS)-Untersuchungen zeigten, dass ein Y-Zusatz zu Mg-basierten Legierungen zu einer sehr feinen (ca. 50 nm) und homogenen Verteilung von Y-Hydriden im Gefüge der rascherstarrten Bänder führt. Mg2Ni-Hydride bilden dagegen größere Körner im Größenbereich von 2-3 µm. Bei den Cu-haltigen Legierungen wurde eine Koexistenz von Mg2NiH4 und MgCu2 in direkter Nachbarschaft nachgewiesen. Detaillierte Untersuchungen der Wasserstoffabsorption haben gezeigt, dass die Chemisorption während des linearen Anfangsbereiches des Hydrierungsverlaufes geschwindigkeitsbestimmend ist. Nach dem linearen Hydrierungsverlauf ist die Hydrierungskinetik von der Wasserstoffdiffusion durch eine geschlossene Hydridschicht beeinflusst. Mit dem breiten Spektrum der Untersuchungen (REM, EELS, TEM, HP-TGA, DSC, in situ-Synchrotron-XRD) als auch durch gezielte Variation der Zusammensetzungen wurden neue und grundlegende Erkenntnisse zum H2-Speicherverhalten der rascherstarrten Mg-basierten Legierungssysteme gewonnen. Besondere Beachtung verdient die Mg90Ni8Y1,6SE0,4-Legierung. Durch die Möglichkeit einer einfachen Herstellung, ihre schnelle Reaktionskinetik, ihren hohen Wasserstoffgehalt (bis zu 5,6 Gew.%) und ihre gute Zyklenstabilität eignet sich diese Legierung zur sicheren, volumeneffizienten sowie leichtgewichtigen Speicherung von Wasserstoff. Damit kann Wasserstoff gespeichert, transportiert und als CO2-freier Sekundärenergieträger in stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt werden.