Principales aplicaciones del itrio en aleaciones y fósforos

Introducción

El itrio, de fórmula química Y, es uno de los elementos de tierras raras debido a sus propiedades físicas y químicas similares a las de otros elementos de tierras raras y a razones históricas tempranas. Se trata de un metal de transición plateado y blando que es químicamente similar al grupo de los lantánidos, especialmente al grupo de los elementos pesados de tierras raras, cuyo número atómico oscila entre 63 y 71. La configuración electrónica del itrio es [Kr]^5s24d1. Prefiere perder 3 electrones para formar una estructura estable de 8 electrones, por lo que su estado de oxidación es +3. El _Y2O3 es uno de los compuestos de itrio más utilizados.

El itrio tiene 31 ppm en la corteza y es el^28º elemento más abundante, unas 26.000 veces más común que el oro, Au. El itrio suele encontrarse con otros lantánidos en minerales de tierras raras como subproducto. La mayor parte del itrio procede de las 3 fuentes siguientes:

1. Xenotima: un mineral fosfatado que contiene ortofosfato de itrio (_YPO4)
2. Monacita: mineral de fosfato de color marrón rojizo que contiene elementos de tierras raras.
3. Bastnaesita: mineral de fluorocarbonato de calcio con cerio, lantano e itrio.

El itrio se utiliza ampliamente en muchos campos, como los fósforos de los tubos de televisión, la iluminación de bajo consumo y las pilas de combustible [2], la metalurgia, la cerámica y los superconductores, entre otros. Este artículo se centra principalmente en el itrio utilizado en aleaciones y fósforos.

El itrio utilizado en aleaciones

El itrio se utiliza en las industrias de aleaciones debido a sus efectos desoxidantes, desulfurantes, desnitrificantes o desgasificantes, que se explican por su bajo potencial de oxidación termodinámica [1]. La adición de una cierta cantidad de itrio a una aleación de Ni-20Cr, por ejemplo, puede mejorar mucho su resistencia a la oxidación a altas temperaturas. Sin embargo, aún se desconocen las razones detalladas, aunque se han realizado muchas hipótesis e investigaciones. Hay dos posibles explicaciones:

1. La adición de itrio puede reducir el aumento de masa de las aleaciones. (Por aumento de masa se entiende el incremento total de masa en una aleación debido a la absorción de átomos o moléculas del entorno. Puede deberse a la corrosión, la oxidación y la precipitación).
2. La adición de itrio mejora la adherencia superficial de las aleaciones.

Aquí se toma como ejemplo la aleación de alúmina con adición de itrio.

Aleación Fe-20Cr-4Al e implantación de itrio

Fe-20Cr-4Al es una aleación compuesta por un 20% de Cr, un 4% de Al y Fe como hierro de equilibrio. Suele utilizarse en aplicaciones de alta temperatura, como cámaras de combustión o intercambiadores de calor. Presenta una buena resistencia a la oxidación y la corrosión a altas temperaturas.

Estos son los pasos para implantar itrio en la aleación Fe-20Cr-4Al:

Repetir la laminación en caliente y en frío con la aleación Fe-20Cr-4Al para obtener una chapa de 0,5 mm de espesor. Utilizar la implantadora para implantar iones de itrio en la aleación. Utilice la espectroscopia de retrodispersión de Rutherford (RBS) para medir con precisión la concentración de itrio en la aleación. Aquí utilizamos aleaciones implantadas con 0,01% a 0,5% de Y.

Experimento y discusión de resultados

Utilizamos aleaciones Fe-20Cr-4Al-(0, 0.01, 0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.5)Y y las expusimos bajo _O2 durante 5h a 1200℃. La figura 1 muestra una disminución de la ganancia de masa desde Fe-20Cr-4Al hasta Fe-20Cr-4Al-0,1Y. Después, la ganancia de masa vuelve a aumentar [1].

Figura 1: Cambio en la ganancia de masa de las aleaciones Fe-20Cr-4Al-(0, 0.01, 0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3)Y durante 5h a1200℃ en _O2 [1].

La figura 2 muestra el aspecto de la superficie de estas aleaciones tras la exposición al O2. La superficie de la aleación FeCrAl estándar comienza a desprenderse.

De (b) a (h), ambas forman una superficie de óxido para proteger el material del centro. (b) y (c) aún presentan ligeras espallas en su superficie. A medida que aumenta la concentración de itrio, la superficie de óxido se forma mejor para protegerse. De 0,1Y a 0,5Y, sus superficies son mucho más oscuras que las de 0Y a 0,05Y. Utilizando la difracción de rayos X para detectar la superficie de las aleaciones, obtenemos las siguientes observaciones [1]

(a) forma una estructura superficial cristalina de Al2O3 muy débil. De (b) a (h), todas forman Al2O3 fuerte.

De (f) a (h), también forman estructuras cristalinas Y3Al5O12 muy débiles.

El _Y3Al5O12, también denominado granate de itrioalúmina (YAG), es un material sintético que presenta características de alta temperatura, alta resistencia y estabilidad química. La formación de YAG puede ser una de las razones por las que la ganancia de masa aumenta de 0,1Y a 0,5Y. Pero este aumento de la ganancia de masa no significa que se reduzca la resistencia a la oxidación a alta temperatura de la aleación. De hecho, a medida que aumenta la concentración de Y, la aleación muestra una mayor resistencia a la oxidación y a la corrosión a alta temperatura.

Figura 2: Fotos de superficie de aleaciones FeCrAl-(0, 0,01, 0,02, 0,05, 0,1, 0,2, 0,3)Y sometidas a 5h a1200℃ en _O2 [1]. (a) 0Y; (b) 0Y con purificado; (c) 0.01Y; (d) 0.02Y; (e) 0.05Y; (f) 0.1Y; (g) 0.2Y; (h) 0.3Y

Itrio utilizado en fósforos

Los fósforos son sustancias que reciben radiación y emiten luz. El principio básico es que los electrones orbitales del fósforo reciben la energía de la radiación, se excitan y pasan a orbitales superiores. Finalmente, estos electrones vuelven a su estado básico. La energía producida por este comportamiento emitirá luz.

Los elementos utilizados en el fósforo afectan directamente a la luz que emite el fósforo. Debido a la emisión roja estable, estrecha y eficiente del itrio, el Y2O3 se utiliza en fósforos para televisores en color, monitores de ordenador, diodos emisores de luz (LED) y pantallas intensificadas por rayos X [2].

El LED general produce luz blanca fría. Los diodos emisores de luz blanca cálida convertidos en fósforo (pc-WLED) son la nueva tecnología LED [3]. El Y2O3 nanométrico puede añadir algunos componentes rojos en el fósforo para que el LED emita una luz más cálida y de alta calidad.

Conclusión

El itrio es uno de los elementos de las tierras raras. Debido a sus propiedades únicas, el Y se utiliza ampliamente en fósforos y aleaciones. Todavía hay muchas aplicaciones y compuestos de itrio que no se mencionan hoy. Stanford Advanced Materials (SAM) ofrece diferentes tipos de itrio. Si desea más información sobre el itrio o los compuestos de itrio, puede proporcionar la información de su aplicación a nuestro personal técnico para que le asesore.

Referencia

1. Volkerts, B. D. (Ed.). (2010). Yttrium: Compounds, production, and applications: Compuestos, producción y aplicaciones. Nova Science Publishers, Incorporated.
2. Zhang, K., Kleit, A. N., & Nieto, A. (2017). Una estrategia económica para la criticidad - aplicación al elemento de tierras raras itrio en la nueva tecnología de iluminación y su disponibilidad sostenible. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 77, 899-915. https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.12.127
3. Petry, J., Komban, R., Gimmler, C., & Weller, H. (2022). Simple one-pot synthesis of luminescent europium doped yttrium oxide y2O3:eu nanodiscs for phosphor-converted warm white LEDs. Nanoscale Advances, 4(3), 858-864. https://doi.org/10.1039/d1na00831e