The system Y2O3-Sc2O3-ZrO2: Phase characterisation by XRD, TEM and optical microscopy

Abstract

The phase assemblage in the ternary system Y2O3-Sc2O3-ZrO2 has been investigated as a function of the Sc2O3Y2O3 ratio for several compositions with a constant total stabilizer (Y2O3 + Sc2O3) content of 8 mol%, using X-ray diffraction, transmission electron and optical microscopy. Considerable twinning was observed in as-sintered speciments with higher scandia content (Sc2O3/Y2O3 ≥ 53. These compositions were indexed as having tetragonal symmetry. The twinning is associated with the formation of a dopant rich tetragonal phase (designated as the t′-ZrO2 phase) as a result of diffusionless transformation on cooling the material from the sintering temperature at which it had a cubic symmetry. On annealing Sc2O3-rich compositions at 1000°C for 2000 h, twinning disappeared and the specimens consisted of cubic matrix with fine precipitates of a low-dopant tetragonal phase (t-ZrO2) dispersed uniformly. The cubic matrix had a slightly higher dopant content than the corresponding t′-phase. The Y2O3-rich compositions in the as-sintered form had cubic symmetry and showed no twinning. On annealing, they decomposed to t-ZrO2 precipitates plus a cubic solid-solution matrix richer in the dopant. All the eight Y2O3/Sc2O3 compositions studied were in the two-phase field at the annealing temperature. Im Dreistoffsystem Y2O3-Sc2O3-ZrO2 wurden die Phasenbeziehungen für mehere Zusammensetzungen mit einem Gehalt von jeweils 8 Mol.% (Y2O3 + Sc2O3 in Abhängigkeit des Sc2O3/Y2O3-Verhältnisses mittels Röntgenbeugung, Transmissionselektronenmikroskopie und optischer Mikroskopie untersucht. In gesinterten Proben mit hohem Sc2O3-Gehalt (Sc2O3/Y2O3 ≥ 53 konnte eine ausgeprägte Zwillingsbildung festgestellt werden. Diesen Zusammensetzungen konnte eine tetragonale Struktur zugeordnet werden. Die Zwillingsbildung wird mit der Bildung einer hoch dotierten tetragonalen Phase (der t′-ZrO2-Phase) in Zusammenhang gebracht, die sich während des Abkühlens von der Sintertemperatur durch eine diffusionslose Umwandlung aus einer Phase mit kubischer Struktur bildet. Eine Glühbehandlung der Sc2O3-reichen Proben bei 1000°C für 2000 h führte zum Verschwinden der Zwillinge. Die Proben wiesen eine kubische Matrix mit homogen verteilten, gering dotierten, kleinen tetragonalen Teilchen (t-ZrO2) auf. Die kubische Matrix wies eine etwas höhere Dotierung auf, als die entsprechende t′-Phase. Die Y2O3-reichen Zusammensetzungen hatten nach dem Sintern kubische Struktur und wiesen keine Zwillingsbildung auf. Nach der Glühbehandlung bildeten sich t-ZrO2-Teilchen in einer kubischen Matrix mit hoher Dotierung. Alle acht untersuchten Y2O3/Sc2O3 Zusammensetzungen lagen bei der Glühbehandlung im Zweiphasenfeld. On a étudié par diffraction X, par microscopie à transmission et par microscopie optique l'ensemble des phases du système ternaire Y2O3-Sc2O3-ZrO2 en fonction du rapport Sc2O3/Y2O3, pour différentes compositions, la teneur totale en stabilisateur (Y2O3 + Sc2O3) étant égale à 8% molaires. Les échantillons à teneur à élevée en oxyde de scandium (Sc2O3/Y2O3 ≥ 53 présentaient, après frittage, un maclage très important. Ces compositions possèdaient une symétrie tétragonale. Ce maclage est associé à la formation d'une phase tétragonale riche en dopant (appelée phase t′-ZrO2) résultant de la transformation non diffusionnelle se produisant lors du refroidissement du matériau à partir de la témperature de frittage, pour laquelle il présente une symétrie cubique. Lors d'un recuit à 1000°C pendant 2000 h, le maclage des compositions riches en Sc2O3 disparaissait et les échantillons étaient constitués d'une matrice cubique avec de fins précipités de phase tétragonale pauvre en dopant (t-ZrO2) dispersés uniformément. La matrice cubique possèdait une teneur en dopant légèrement plus élevée que la phase t′ correspondante. Les compositions riches en Y2O3 présentaient, après frittage, une symétrie cubique et n'étaient pas maclées. Lors du recuit, elles se décomposaient en précipités t-ZrO2 dans une matrice de solution solide plus riche en dopant. Les huit compositions Y2O3/Sc2O3 étudiées étaient à la température de recuit dans le domaine biphasé.