From many years YSZ is used as the top coat material for TBC's, as it has good phase stability up to 1200°C, higher fracture toughness, lower thermal conductivity, erosion resistance & higher coefficient of thermal expansion. But, it has a drawbacks at high temperature such as sintering and transformation of phases. For this reason new ceramic materials with pyrochlores crystal structure such as Gd2Zr2O7 are being considered as it has high melting points, phase stability, lower thermal conductivity and CMAS resistance. But it has low fracture toughness when compared to YSZ. In order to take advantage of low thermal conductivity and high thermal stability of gadolinium zirconate and avoiding the drawbacks of low coefficient of thermal expansion and low toughness using YSZ, a double/multi-layer coatings approach is being used. Therefore, multi-layer TBCs are sprayed and compared with single layer coating in this work. These coatings are processed by suspension plasma spraying. For single layer coating YSZ is used, for double layer coating YSZ as the intermediate coating and Gd2Zr2O7 as the top coat is used. Additionally, a triple layer coating system comprising YSZ, Gd2Zr2O7 and dense Gd2Zr2O7 as top coat is also sprayed. The as sprayed coatings are characterized for microstructure analysis using optical microscope and scanning electron microscope (SEM), elemental analysis of TGO using Energy-Dispersive Spectrometer (EDS). XRD analysis was done to identify various phases in the coating. Porosity analysis using Archimedes principle was carried out. Thermal cyclic fatigue (TCF) test of the sprayed coatings was carried out at 1100°C. Failure analysis of the TCF specimens was carried out using SEM/EDS. TCF results showed that the triple layer coatings (dense Gd2Zr2O7/Gd2Zr2O7/YSZ) had higher thermal cyclic fatigue life and lower TGO thickness when compared to single layer (YSZ) and double layer (Gd2Zr2O7/YSZ) TBCs.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Thermal barrier coatings (TBCs) have been extensively employed as thermal protection in hot sections of gas turbines in aerospace and power generation applications. However, the fabrication of TBCs still needs to improve for better coating quality, such as achieving coating thickness' uniformity. However, several previous studies on the coating thickness prediction and a systematic understanding of the thickness evolution during the deposition process are still missing. This study aims to develop high-fidelity computational models to predict the coating thickness on complex-shaped components. In this work, two types of models, i.e., ray-tracing based and heat transfer based, are developed. For the ray-tracing model, assuming a line-of-sight coating process and considering the shadow effect, validation studies of coating thickness predictions on different shapes, including plate, disc, cylinder, and three-pin components. For the heat transfer model, a heat source following the Gaussian distribution is applied. It has the analogy of the governing equations of the ray-tracing method, thus generating a temperature distribution similar to the ray intensity distribution in the ray-tracing method, with the advantages of high computational efficiency. Then, using a calibrated conversion process, the ray intensity or the temperature profile are converted to the corresponding coating thickness. After validation studies, both models are applied to simulate the coating thickness in a rotary turbine blade. The results show that the simulated validation cases are in good agreement with either the experimental, analytical, or modeling results in the literature. The turbine blade case shows the coating thickness distributions based on rotating speed and deposition time. In summary, the models can simulate the coating thickness in rotary complex-shaped parts, which can be used to design and optimize the coating deposition process.

No description available.

<p>The introduction of metal supported cells may be a key innovation in the development of solid oxide fuel cell (SOFC) technology. The objective of this study was to develop a process of co-firing the ceramic layers of a solid oxide fuel cell attached to their porous metal support. This is a major departure from the traditional fuel cell architecture where the support layer is a ceramic composite made of YSZ and NiO.</p> <p>The problems to be eliminated during the fabrication process include the warping, cracking and delamination of the cell during the co-sintering process.</p> <p>In this study, the porous metal layer was produced by the freeze tape casting process. During co-sintering, it is necessary to match the relative shrinkage between the metal and ceramic layers. Different parameters which can influence the relative shrinkage were explored, including the heating rate, sintering temperature, sintering time, cell thickness, solid loading of the green tapes, applications of wet and dry hydrogen in the sintering atmosphere, as well as a change of the electrolyte material. Specifically, GDC was tested as an alternative electrolyte to YSZ.</p> <p>Since the porous metal substrate is exposed to air during fuel cell operation, it must be protected from oxidation. Therefore, the pack cementation method was used to apply a layer of aluminum onto the metal substrate. Variables such as temperature and exposure time of the coating materials were investigated in this thesis.</p> / Master of Applied Science (MASc)

The aim of this PhD work is to elaborate using plasma spraying fine, dense, crack-free coatings of Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) for SOFCs electrolyte. The experimental approach has been based on the increase velocities of particles in a molten state upon impact using three plasma spraying processes (Arc plasma spraying, vacuum plasma spraying and supersonic inductive plasma spraying) and powder with a fine granulometry (-25+5[micro]m). In-flight particles and lamellaes characterisations were carried out to study their influence onto deposit microstructure and the influence of the latter one on their porosity and ionic conductivity. Two kinds of microstructure function of spraying process were obtained thanks to the increase of particle velocities upon impact. Those specific microstructures lead to the increase of the number of good interlamellar contacts that allows benefiting ionic conductivity. So, in future, it will be possible to elaborate all the stack (anode-electrolyte-cathode) with the same plasma spraying process.

Depuis que la sonnette d’alarme concernant les carburants fossiles a retenti, les scientifiques cherchent des alternatives pour une consommation énergétique plus intelligente. Le reformage des carburants liquides et de gaz naturel est un procédé qui permet la production des vecteurs énergétiques riches en hydrogène. L’intérêt dans la production d’hydrogène est grandissant en raison de ses diverses applications, dont les besoins de l’industrie pétrolière pour le raffinage. En effet, la détérioration de la qualité du pétrole brut combinée à des spécifications pour les carburants plus sévères, conduit cette industrie à des bilans globaux déficitaires en hydrogène. De ce fait, le coût de l’hydrogène a connu une importante augmentation, étant le deuxième plus important dans le fonctionnement des raffineries, juste après le pétrole brut. Ce projet s’inscrit dans le domaine du développement des technologies de production d’énergies efficaces. La façon la plus utilisée commercialement pour produire de l’hydrogène est le reformage à la vapeur. Pour cela, un catalyseur de nickel sous forme de spinelle nickel-alumine (NiAl[indice inférieur 2]O[indice inférieur 4]) sur support d’alumine (Al[indice inférieur 2]O[indice inférieur 3]) et de zircone stabilisée à l’yttria (YSZ), breveté par l’Université de Sherbrooke, a été testé pour le reformage à la vapeur. Dans le cadre de ce projet, deux principaux objectifs ont été déterminés ; premièrement l’optimisation des performances du catalyseur et deuxièmement la détermination du rôle de chaque composé au niveau structural et au niveau de la réactivité durant le reformage. Différentes méthodes de synthèse ont été testées pour la préparation du catalyseur ; ceci a permis de relier la technique de préparation aux propriétés intrinsèques du catalyseur et de ce fait, valider sa formulation finale. Des tests de reformage à la vapeur effectués, en utilisant du diesel commercial à un débit volumique des réactifs de 25 000 cm[indice supérieur 3]g[indice inférieur cat][indice supérieur -1]h[indice supérieur -1] et un ratio molaire H[indice inférieur 2]O/C de 1.9, avec des catalyseurs de différentes formulations ont permis d’élucider le rôle du support. En effet, l’YSZ est un co-support actif lors des tests de reformage. L’analyse des catalyseurs usés montre des différences notables entre les catalyseurs qui se désactivent et ceux qui ne se désactivent pas. En effet, les catalyseurs qui maintiennent leur activité ne montrent aucune formation de carbone ; tandis que les catalyseurs qui se désactivent sont recouverts de carbone en filament, en plus de l’obstruction du réacteur par du carbone. Les performances de ce catalyseur sont basées sur des paramètres spécifiques: a) la stabilité de la phase spinelle et la distribution nanométrique, très homogène, de cette phase sur le support ; b) la présence de l’YSZ comme co-support et la stabilisation de la zircone avec une quantité appropriée d’yttrine pour engendrer des lacunes d’oxygène.

In this study, the goal is to optimize the process and to reduce the clogging tendency during the continuous casting process. The focus is on clogging when the refractory base material (RBM) in the SEN is in contact with the liquid steel. It is difficult or impossible to avoid non-metallic inclusions in the liquid steel, but by a selection of a good RBM in the SEN clogging can be reduced.   Different process steps were evaluated during the casting process in order to reduce the clogging tendency. First, the preheating of the SEN was studied. The results showed that the SEN can be decarburized during the preheating process. In addition, decarburization of SEN causes a larger risk for clogging. Two types of plasma coatings were implemented to protect the RBM, to prevent reactions with the RBM, and to reduce the clogging tendency. Calcium titanate (CaTiO3) mixed with yttria stabilized zirconia (YSZ) plasma coatings were tested in laboratory and pilot plant trials, for casting of aluminium-killed low-carbon steels. For casting of cerium alloyed stainless steels, YSZ plasma coatings were tested in laboratory, pilot plant and industrial trials. The results showed that the clogging tendency was reduced when implementing both coating materials.   It is also of importance to produce clean steel in order to reduce clogging. Therefore, the steel cleanliness in the tundish was studied experimentally. The result showed that inclusions originated from the slag, deoxidation products and tundish refractory and that they were present in the tundish as well as in the final steel product. / <p>QC 20170227</p> / VINNOVA

Ce travail marque le départ d'une nouvelle thématique au sein du laboratoire dans le domaine des piles à combustible à oxydes solides planaires. Fort de son expérience dans le domaine des capteurs, l'objectif a été de réaliser des prototypes avec des technologies "bas coûts" comme la sérigraphie à partir de matériaux classiques pour les piles, plutôt que de rechercher des nouveaux matériaux avec des propriétés optimales, mais qui peuvent être amoindries lors de la réalisation d'un dispositif complet. Ces matériaux sont la zircone yttriée (YSZ) pour l'électrolyte, un manganite de lanthane dopé au strontium (LSM) pour la cathode et d'un cermet à base d'oxyde de nickel et de zircone yttriée (Nio-YSZ) pour l'anode.<br />la première partie des travaux a consisté à caractériser les propriétés physico-chimiques et électriques des matériaux choisis, sur des frittés d'abord et ensuite sur des couches sérigraphiées de YSZ, LSM ou NiO-YSZ. Ces caractérisations ont montré une bonne adaptabilité de nos matériaux pour une application pile à combustible.<br />La seconde partie a consisté à tester les prototypes réalisés sur l'électrolyte support, et sur anode support avec les électrodes et l'électrolyte déposé par sérigraphie. Les faibles performances obtenues sont surtout dues à la faible température de fonctionnement (800°C), à l'épaisseur de l'électrolyte support (environ 1mm)ou à la porosité des couches de YSZ par sérigraphie. Enfin, nous avons en même temps testé un dispositif original qui consiste à exposer les deux électrodes à un mélange de combustible et du comburant. Ce dispositif mono-chambre prometteur inspiré de l'expérience des capteurs potentiométriques développés au laboratoire par Nicolas Guillet (2001), permet de s'affranchir des problèmes d'étanchéité des deux compartiments gazeux. De plus, les performances obtenues ne sont que deux fois moindres par rapport à celles obtenues avec une pile conventionnelel à deux chambres gazeuses.

H Ζιρκόνια σταθεροποιημένη με Ύττρια (Yttria Stabilized Zirconia (YSZ)) χρησιμοποιείται σήμερα ευρέως στη βιομηχανία μηχανών για αεριωθούμενα και στη οδοντιατρική. Τα τελευταία χρόνια υπάρχει έντονο ερευνητικό ενδιαφέρον για την εφαρμογή της σε κυψελίδες καυσίμου στερεού ηλεκτρολύτη (SOFCs) μιας και παρουσιάζει αγωγιμότητα ιόντων οξυγόνου σε μεγάλο θερμοκρασιακό εύρος, διαθέτει υψηλή μηχανική αντοχή, μεγάλη σκληρότητα και χημική σταθερότητα σε συνθήκες ηλεκτρικής φόρτισης και αντίδρασης. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η ανάπτυξη μεθόδου για εναπόθεση υμενίων ζιρκονίας με την βοήθεια πλάσματος. Η εναπόθεση λεπτών υμενίων YSZ με τη χρήση πλάσματος χαμηλής πίεσης παρουσιάζει μερικά σημαντικά πλεονεκτήματα όπως εναπόθεση σε χαμηλές θερμοκρασίες (<400oC) και ομοιόμορφη κάλυψη της επιφάνειας με μεγάλη πυκνότητα. Από την άλλη πλευρά η ιδιαιτερότητα της εναπόθεσης μέσω πλάσματος έγκειται στο γεγονός ότι η δομή, οι ιδιότητες και η χημική σύσταση των παραγόμενων υμενίων εξαρτώνται σημαντικά από τις παραμέτρους της διεργασίας. Στο πρώτο μέρος της εργασίας αναπτύσσεται η εναπόθεση υμενίων YSZ με τη τεχνική πλάσματος χαμηλής πίεσης από μεταλλοργανικές πρόδρομες ενώσεις υττρίου και ζιρκονίου σε δύο διαφορετικούς αντιδραστήρες πλάσματος, ενός επαγωγικά και ενός χωρητικά συζευγμένου. Μελετήθηκε η επίδραση της παρεχόμενης στο πλάσμα ισχύος, των παροχών των πρόδρομων ενώσεων, του συνολικού χρόνου της διεργασίας και της θερμοκρασίας του υποστρώματος στα μορφολογικά χαρακτηριστικά, στην δομή και τη σύσταση των παραγόμενων υμενίων. Στην συνέχεια εξετάσθηκε πως η χρήση πλάσματος αργού-οξυγόνου, σε ήδη εναποτεθειμένα υμένια ζιρκονίου και υττρίου με τις τεχνικές φυσικής εναπόθεσης (spin και spray coating), ενισχύει την κρυστάλλωση του υμενίου σε κυβική YSZ. Γίνεται σύγκριση με τα αποτελέσματα που λαμβάνονται για την κρυστάλλωση των υμενίων με τη μέθοδο της θερμικής ανόπτησης ως προς τον χρόνο αλλά και τη θερμοκρασία κρυστάλλωσης που χρειάζεται ώστε να επιτευχθεί το ίδιο αποτέλεσμα. Τα υμένια χαρακτηρίσθηκαν με μια σειρά από τεχνικές όπως: φασματοσκοπία φοτοηλεκτρονίων ακτίνων Χ (XPS), ηλεκτρονιακή μικροσκοπία σάρωσης (SEM), περίθλαση ακτίνων Χ (XRD) και μικροσκοπία ατομικών δυνάμεων (AFM). Τα αποτελέσματα των πειραμάτων έδειξαν ότι η παρεχόμενη ισχύ, ο χρόνος της διεργασίας καθώς και η θερμοκρασία του υποστρώματος παίζουν σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη τη δομή και τη μορφολογία των υμενίων YSZ. Για την πλήρη κρυστάλλωση σε κυβική ζιρκονία σταθεροποιημένη με ύττρια αλλά και την πλήρη απομάκρυνση του άνθρακα από το υμένιο, απαιτήθηκε ένα στάδιο ανόπτησης του υμενίου σε φούρνο υψηλής θερμοκρασίας. Αντικατάσταση αυτού του βήματος με επεξεργασία με πλάσμα, οδήγησε σε σημαντική ελάττωση του χρόνου αλλά και της θερμοκρασία κρυστάλλωσης με αποτέλεσμα η συγκεκριμένη τεχνική χημικής ανόπτησης να είναι ενεργειακά συμφέρουσα σε σχέση με την θερμική. Βελτιστοποίηση της διεργασίας χημικής ανόπτησης με πλάσμα έδειξε ότι είναι εφικτή η κρυστάλλωση των υμενίων σε πολύ μικρούς χρόνους και σε θερμοκρασίες μικρότερες από 400°C. / Nowadays Yttria stabilized Zirconia (YSZ) are widely used in the industries of jet engines and also in dentistry. In recent years a lot of effort has been given for the use of YSZ in solid oxide fuel cells (SOFCs) because of its high ionic conductivity in a wide temperature range, its high mechanical strength, high hardness and chemical stability. The purpose of this study is to develop a method for deposition of zirconia films with the use of plasma. The YSZ thin films deposition using low pressure plasma has important advantages such as deposition at low temperatures (<400oC) and uniform coverage of the surface with high density films. On the other hand, the uniqueness of the deposition by plasma is that the structure, the properties and the chemical composition of the films depends on the parameters of the process. In the first part of the thesis, the process of depositing YSZ films is been developed from organometallic precursors of yttrium and zirconium in two different plasma reactors, an inductively and a capacitively coupled plasma reactor. It has been investigated how the plasma power, the amount of the precursors, the total time of the process and the substrate’s temperature affect the morphological characteristics, the structure and composition of the films. It has been also examined how Argon-Oxygen plasma enhances the crystallization to cubic YSZ of already deposited amorphous films of zirconium and yttrium, which have been prepared by physical deposition techniques like spin coating and spray pyrolysis. The results is been compared with the results which have been obtained for the crystallization of the same films by thermal annealing regarding the annealing time temperature in order to achieve the same final crystallization results. The films were characterized by a variety of techniques such as X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Scanning Electron Microscopy (SEM), X-ray Diffraction (XRD) and Atomic Force Microscopy (AFM). The results showed that the plasma power, the process time and the temperature of the substrate play an important role in the development of the structure and the morphology of the YSZ films. In order fully crystallization to be achieved in cubic yttria stabilized zirconia and complete removal of the organic character of the “as deposited” films, a final step of annealing the films in a high-temperature furnace is needed. Replacing this step by Argon-Oxygen plasma treatment resulted a significant reduction in time and crystallization temperature so that the chemical annealing is advantageous in energy consumption compared to thermal annealing. Optimization of the chemical plasma treatment process showed that it is possible to get fully crystallized films in shorter time and for values of temperatures less than 400°C.

Στην εργασία αυτή εφαρμόσθηκε η τεχνική της ηλεκτρονικής δέσμης(e-beam) για την απόθεση του οξειδίου του ζιρκονίου σταθεροποιημένου με οξείδιο του υττρίου (ZrO2 8%mol Y2O3 : 8YSZ) - υλικό το οποίο αποτελεί τη δημοφιλέστερη επιλογή για χρήση ως ηλεκτρολύτη σε κελιά καυσίμου στερεού ηλεκτρολύτη (Solid Oxide Fuel Cells: SOFCs). Με τη φυσική αυτή τεχνική αποτέθηκε πληθώρα υμενίων σε διάφορα υποστρώματα, αλλά κυρίως σε δισκία NiO-YSZ, που είναι το ηλεκτρόδιο ανόδου σε SOFCs. Αυτού του τύπου τα κελιά καυσίμου παρουσιάζουν μεγάλη πυκνότητα ισχύος και λειτουργούν σε θερμοκρασίες οι οποίες κυμαίνονται από 800-1000οC. Η λειτουργία σε υψηλές θερμοκρασίες εισάγει προβλήματα που σχετίζονται με τη διαθεσιμότητα των υλικών και την αντοχή τους κάτω από αντίστοιχες συνθήκες για μεγάλο χρονικό διάστημα. Προκειμένου να μειωθεί η θερμοκρασία λειτουργίας χωρίς αυτό να έχει επίπτωση στην απόδοση του κελιού επιδιώχθηκε η κατασκευή υμενίων ηλεκτρολυτών μικρού πάχους (~1μm). Τα υμένια αυτά, μετά την κατασκευή τους υπέστησαν θερμική κατεργασία (ανόπτηση) σε διάφορες θερμοκρασίες και εξετάστηκαν οι φυσικές τους ιδιότητες με διάφορες τεχνικές, με σκοπό να προσδιοριστούν οι παράμετροι εκείνες οι οποίες επηρεάζουν την ανάπτυξη των φιλμ, το δομή και τη μορφολογία τους. Στοιχειομετρικά τα υμένια δε διαφέρουν αισθητά από το υλικό από το οποίο προέρχονται. Από τις ποσοτικές μετρήσεις βλέπουμε ότι σε σχέση με το αρχικό υλικό ο κατά βάρος λόγος Y2O3/ZrO2 στο υμένιο δε μεταβάλλεται. Ο χαρακτηρισμός της δομής των μικτών οξειδίων πραγματοποιήθηκε με μεθόδους περίθλασης ακτίνων Χ. Από τα αποτελέσματα προέκυψε ότι η αρχικά μικροκρυσταλλική δομή της σκόνης, με αύξηση της θερμοκρασίας πύρωσης και μεγέθυνσης των κόκκων, μετατρέπεται σε μακροκρυσταλλική με την κυβική δομή του πλέγματος φθορίτη. Η μορφολογία των αποτιθέμενων υμενίων μελετήθηκε με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης. Βρέθηκε ότι υμένια που κατασκευάστηκαν με υψηλούς ρυθμούς εξάχνωσης έχουν μικρότερο πορώδες, παρουσιάζουν μεγαλύτερη συνοχή και εμφανίζουν λιγότερα ή και καθόλου ρήγματα μετά από θερμική επεξεργασία. Έγινε προσπάθεια λειαίνοντας την επιφάνεια υποστρωμάτων να μειωθεί το πορώδες τους ώστε να γίνει δυνατή η απόθεση ακόμη λεπτότερων υμενίων. Έτσι, κατασκευάστηκαν υμένια με πάχος από 600-1500nm, τα οποία παρουσιάζουν όλες εκείνες τις επιθυμητές ιδιότητες και αποτελούν ενδιαφέρουσα πρόταση για εφαρμογή σε κελιά καυσίμου στερεού ηλεκτρολύτη. / In this project we have applied the technique of e-beam evaporation for the deposition of zirconium oxide stabilized with yttrium oxide (ZrO2 8%mol Y2O3: 8YSZ) - a material which constitutes the most popular choice for use as electrolyte in solid oxide fuel cells. With this physical technique we have deposited many films on various substrates and especially on NiO-YSZ pellets, which constitute the anode in SOFCs. This type of fuel cells presents high energy density when working at temperatures in the 800-1000oC range. However, the operation in high temperatures introduces problems that are related with availability of materials and their performance under extreme conditions for a long period of time. In order to reduce the cell’s working temperature without affecting its efficiency we have deposited thin films with thickness in the ~1μm range. After preparation the films have been thermically treated (annealed) in various temperatures and their physical properties have been investigated with various techniques, in order to determine the parameters that affect the films' growth, structure and morphology. In terms of composition the films do not differ much from the evaporating material. From quantitative measurements we see that the Y2O3-ZrO2 weight ratio in both the evaporating material and the film is identical. The characterization of the structure of mixed oxides was realized with methods of X ray diffraction. From the corresponding spectra we see that YSZ's microcrystalline structure, with increase of temperature [annealing] and subsequent enlargement of grains, is initially changed to macrocrystalline, with the cubic flourite structure. The morphology of the deposited films was studied with a Scanning Electron Microscope. Thus, it was found that films that were manufactured at high deposition rates have smaller porosity and present better cohesion and thermal behavior. Polishing techniques have been used to further decrease the substrate's porosity, in order to be able to deposit thinner functional films. Thus, we were able to manufacture films with thickness from 600-1500nm, that exhibited desirable properties and constitute an interesting alternative for use in SOFCs.