Mechanical properties and low temperature degradation resistance of alumina-doped 3Y-TZP fabricated from stabilizer coated powders

• Autorzy: Kern F. , Kabir A. , Gadow R.

Warianty tytułu

PL

Właściwości mechaniczne i odporność na niskotemperaturową degradację domieszkowanego tlenkiem glinu 3Y-TZP, wytworzonego z proszków pokrywanych stabilizatorem

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In this study nanoscale monoclinic zirconia was coated with 3 mol % yttria via the nitrate route. Up to 2 vol.% of alumina were added by either coating or mixing and milling. The mechanical properties of the materials, microstructure and phase composition were studied. Low temperature degradation resistance was determined by an accelerated autoclave test. The TZP materials showed a high toughness of > 10 MPa√m combined with a strength of ~ 740-1000 MPa. Low temperature degradation resistance improved with alumina addition, here the introduction of alumina by mixing and milling was more efficient than by powder coating; the maximum monoclinic fraction in the mixed composite was only 6 vol.% after 100 h of autoclave ageing at 134 °C and the monoclinic phase did not form a fully connected layer.

PL

W niniejszym badaniu jednoskośny nanometryczny dwytlenek cyrkonu pokrywano tlenkiem itru w ilości 3% mol., wykorzystując ścieżkę azotanową. Poprzez pokrywanie lub mieszanie i mielenie dodano aż do 2% obj. tlenku glinu. Zbadano właściwości mechaniczne, mikrostrukturę i skład fazowy materiałów. Za pomocą przyśpieszonego testu autoklawowego określono niskotemperaturową degradację. Materiały TZP pokazały wysoką odporność na pękanie przekraczającą 10 MPa√m w połączeniu z wytrzymałością wynoszącą ~ 740-1000 MPa. Odporność na niskotemperaturową degradację została poprawiona dodatkiem tlenku glinu, gdzie wprowadzenie tlenku glinu drogą mieszania i mielenia było bardziej efektywne niż przez pokrywanie proszku; maksymalna frakcja jednoskośnia w kompozycie stanowiła jedynie 6% obj. po starzeniu w autoklawie przez 100 h w 134 °C a faza jednoskośna nie utworzyła całkowicie spójnej warstwy.

Słowa kluczowe

EN

3Y-TZP; law temperature degradation; coating; microstructure final; mechanical properties

PL

3-YTZ; degradacja niskotemperaturowa; pokrywanie; mikrostruktura finalna; właściwości mechaniczne

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2017
• Tom: T. 69, nr 3
• Strony: 279--285
• Opis fizyczny: Bibliogr. 27 poz., rys., wykr., tab.

Twórcy

autor

Kern F.

• Universität Stuttgart, IFKB, Allmandring 7B, D-70569 Stuttgart, Germany

autor

Kabir A.

• Universität Stuttgart, IFKB, Allmandring 7B, D-70569 Stuttgart, Germany ; Department of Energy Conversation and Storage, Technical University of Denmark (DTU), DK-4000 Roskilde, Denmark

autor

Gadow R.

• Universität Stuttgart, IFKB, Allmandring 7B, D-70569 Stuttgart, Germany

Bibliografia

• [1] Gupta, T. K., Bechtold, J. H., Kuznicki, R. C. Cadoff, L. H., Rossing, B. R.: Stabilization of tetragonal phase in polycrystalline zirconia, J. Mat. Sci., 12, (1977), 2421-2426.
• [2] Lange, F. F.: Transformation toughening – Part 3: Experimental Observations in the ZrO2-Y2O3-System, J. Mat. Sci., 17, (1982), 240-246.
• [3] Tsukuma, K., Shimada, M.: Hot isostatic pressing of Y2O3 partially stabilized zirconia, Am. Ceram. Soc. Bull., 64, (1985), 310-313.
• [4] Kelly, P. M., Rose, L. R. F.: The martensitic transformation of ceramics - its role in transformation toughening, Prog. Mater. Sci., 47, (2002), 463-557.
• [5] Hannink, R. H. J., Kelly, P. M., Muddle, B. C.: Transformation Toughening in Zirconia-Containing Ceramics, J. Am. Ceram. Soc., 83, 3, (2000), 461–87.
• [6] Chen, M., Hallstedt, B., Gauckler, L.: Thermodynamic modeling of the ZrO2–YO1.5 system, Solid State Ionics, 170, (2004), 255–274.
• [7] Li, P., Chen, I. W., Penner-Hahn, J.: Effect of Dopants on Zirconia Stabilization - An X-ray Absorption Study: I, Trivalent Dopants, J. Am. Ceram. Soc., 77, (1994), 118-128.
• [8] Chevalier, J., Drouin, J. M., Cales, B.: Low-Temperature Aging of Y-TZP Ceramics, J. Am. Ceram. Soc., 82, 8, (1999), 2150–54.
• [9] Chevalier, J., Gremillard, L.: Low-Temperature Degradation of Zirconia and Implications for Biomedical Implants, Annu. Rev. Mater. Res., 37, (2007),1–32.
• [10] Chevalier, J., Gremillard, L., Virkar, A., Clarke, D.: The Tetragonal-Monoclinic Transformation in Zirconia: Lessons Learned and Future Trends, J. Am. Ceram. Soc., 92, 9, (2009), 1901–1920.
• [11] Keuper, M., Eder, K., Berthold, C., Nickel, K. G: Direct evidence for continuous linear kinetics in the low-temperature degradation of Y-TZP, Acta Biomaterialia, 9, 1, (2013) 4826-35.
• [12] Ross, I. M., Rainforth, W. M., McComb, D. W., Scott, A. J., Brydson, R.: The role of trace additions to yttria-tetragonal zirconia polycrystals (Y-TZP), Scripta Materialia, 45, (2001), 653-60.
• [13] Piconi, C., Burger, W., Richter, H. G., Cittadini, A., Maccauro, G., Covacci, M., Bruzzese, N, Ricci, G. A., Marmo, E: Y-TZP ceramics for artificial joint replacements, Biomaterials, 19, (1998), 1489-94.
• [14] Zhang, F., Vanmeensel, K., Inokoshi, M., Batuk, M., Hadermann, J., Van Meerbeek, B., Naert, I., Vleugels, J.: 3Y-TZP ceramics with improved hydrothermal degradation resistance and fracture toughness, J. Eur. Ceram. Soc., 34, (2014), 2453-63.
• [15] Singh, R., Gill, C., Lawson, S., Dransfield, G. P.: Sintering, microstructure and mechanical properties of commercial YTZPs, J. Mat. Sci., 31, (1996), 6055-62.
• [16] Burger, W., Richter, H. G., Picconi, C., Vatteroni, R., Cittadini, A. Boccalari, M: New Y-TZP powders for medical grade zirconia, J. Mat. Sci. - Materials in Medicine, 8, (1997), 113-118.
• [17] Kern, F., Gadow, R.: Tough to brittle transition with increasing grain size in 3Yb-TZP ceramics manufactured from stabilizer coated nanopowder, J. Ceram. Soc. Jap., 124, (2016), 1083-1089.
• [18] Danilenko, I., Konstantinova, T., Volkova, G., Burkhovetski, V., Glazunova, V.: The Role of Powder Preparation Method in Enhancing Fracture Toughness of Zirconia Ceramics with Low Alumina Amount, J. Cer. Sci. Techn., 6, (2015), 191-200.
• [19] Yuan, Z. X., Vleugels, J., Van der Biest, O.: Preparation of Y2O3-coated ZrO2 powder by suspension drying, J. Mater. Sci. Lett., 19, (2000), 359–61.
• [20] Chantikul, P., Anstis, G. R., Lawn, B. R., Marshall, D. B.: A critical evaluation of indentation techniques for measuring fracture toughness: II, strength method, J. Am. Ceram. Soc., 64, 9, (1981), 539-543.
• [21] Dransmann, G. W., Steinbrech, R. W., Pajares, A., Guiberteau, F., Dominguez-Rodriguez, A., Heuer, A. H.: Indentation Studies on Y2O3-Stabilized ZrO2: II, Toughness Determination from Stable Growth of Indentation-Induced Cracks, J. Am. Ceram. Soc., 77, 5, (1994), 1194-201.
• [22] Mendelson, M. I: Average Grain Size in Polycrystalline Ceramics, J. Am. Ceram. Soc., 56, 8, (1969), 443-46.
• [23] Toraya, H., Yoshimura, M., Somiya, S.: Calibration curve for quantitative analysis of the monoclinic-tetragonal ZrO2 system by X-ray diffraction, J. Am. Ceram. Soc., 67, 6, (1984), C119–21.
• [24] Chevalier, J., Saadaoui, M., Olagnon, C., Fantozzi, G.: Double-torsion testing a 3Y-TZP ceramic, Ceram. Int., 22 , (1996) ,171–177.
• [25] Kern, F. Gadow, R.: Mechanical properties and low temperature degradation resistance of 2.5Y-TZP – alumina composites, Materiały Ceramiczne /Ceramic Materials/, 65, (2013), 258-266.
• [26] Ohnishi, H., Naka, H., Sekino, T., Ikuhara, Y., Niihara, K.: Mechanical properties of 2.0-3.5 mol% Y2O3-stabilized zirconia polycrystals fabricated by the solid phase mixing and sintering method, J. Ceram. Soc. Jap.,116, (2008), 1270-1277.
• [27] De Aza, A. H., Chevalier, J., Fantozzi, G., Schehl, M., Torrecillas, R.: Slow-Crack-Growth Behavior of Zirconia-Toughened Alumina Ceramics Processed by Different Methods, J. Am. Ceram. Soc., 86, (2003), 115–120.