Sintering of TiB2-TiN nano- and micropowders

• Autorzy: Wyżga P. , Jaworska L. , Bućko M. , Putyra P. , Kalinka A.

Warianty tytułu

PL

Spiekanie nano- oraz mikroproszków TiB2-TiN

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The TiN-TiB2 ceramic composite (CC) could be attractive for applications in jet engine parts, armour plates, cutting tools and dies as well as high performance electrical systems. Because of the high melting points of TiB2-TiN, consolidation of these powders requires extremely high temperatures and long duration of the sintering process for conventional sintering methods.The main causes of this problem are strong covalent bonding, a low self-diffusion coefficient and the existence of an oxygen rich surface layer on the particle surface. The compaction and sintering of nanocrystalline powders are accompanied by intensive growth of particles. The Spark Plasma Sintering (SPS) process and High Pressure-High Temperature (HP-HT) method of sintering have been applied to the formation of composites consisting of TiB2 and TiN nano- and micropowders. Commercial TiB2-TiN nanopowders, obtained using Self Propagation High Temperature Synthesis (SHS) were used for the studies. The influence of the method of sintering on the densification, grain growth, microstructure, some physical and mechanical properties of TiN-TiB2 ceramic composites were investigated. Microstructural observations revealed that both TiN and TiB2 crystal grains had micrometer sizes in the composites obtained from nanopowders for both SPS and HP-HT methods of sintering. In the materials obtained using the HP-HT method od sintering, there are numerous cracks in the compact and stresses build up during the high pressure sintering process. The TiB2-TiN material obtained utilizing the HP-HT method from nanopowders is characterized by lower porosity. In XRD experiments, TiB2, TiN and hBN phases were detected. TiB-TiN commercial SHS nanopowders are more reactive than the mixture of TiB2, and TiN micropowders. For the composites prepared from nanopowders there is about 14% of hBN content. The amount of hBN in the composites for micropowder sintering using the SPS method is about 1.3%.

PL

Kompozyty ceramiczne TiN-TiB2 mogą znaleźć powszechne zastosowanie w przemyśle jako części do silników odrzutowych, płyty pancerne, narzędzia skrawające, matryce, a także w wysokiej klasy systemach elektronicznych. Ze względu na wysoką temperaturę topnienia składników kompozytów TiB2-TiN tradycyjne spiekanie tych proszków wymaga zastosowania bardzo wysokiej temperatury i długiego czasu spiekania. Przyczynami tego są silne wiązania kowalencyjne występujące w przedstawianym kompozycie, niski współczynnik samodyfuzji oraz obecność bogatej w tlen warstwy na powierzchni cząstek. Zagęszczaniu i spiekaniu nanokrystalicznych proszków towarzyszył intensywny rozrost ziaren. Do wytworzenia spieków kompozytowych TiB2-TiN z wykorzystaniem nano- oraz mikrometrycznych proszków zastosowano metodę Spark Plasma Sintering (plazmowe spiekanie iskrą elektryczną- SPS) oraz spiekanie wysokociśnieniowe HP-HT. Do badań zastosowano komercyjny nanoproszek TiB2-TiN, otrzymany metodą samorozwijającej się wysokotemperaturowej syntezy (SHS). W przeprowadzonych badaniach przedstawiono wpływ zastosowanych metod spiekania na zagęszczenie, rozrost ziaren, mikrostrukturę oraz wybrane właściwości fizyczne i mechaniczne spieków TiB2-TiN. Badania mikrostruktury materiałów kompozytowych otrzymanych z proszków nanometrycznych metodą HP-HT i SPS wykazały mikrometryczną wielkość kryształów ziaren zarówno TiN, jaki i TiB2. W spiekach otrzymanych metodą HP-HT widoczne są liczne pęknięcia. Wynikają one z naprężeń towarzyszących procesowi spiekania wysokociśnieniowego. Kompozyty TiB2-TiN uzyskane metodą HP-HT charakteryzują się mniejszą porowatością w porównaniu do spiekanych metodą SPS. Badania XRD wykazały w otrzymanych materiałach udział takich faz, jak TiB2, TiN i hBN. Okazało się również, że komercyjny nanoproszek TiB2-TiN otrzymany metodą SHS charakteryzował się większą reaktywnością niż mieszanka mikrometrycznych proszków TiB2 oraz TiN. W kompozytach wykonanych z nanoproszków udział hBN wyniósł około 14%, natomiast w przypadku materiałów z mikroproszków, spiekanych metodą SPS, wynosi on około 1,3%.

Słowa kluczowe

EN

composites; nanopowders; spark plasma sintering; HP-HT method; grain growth; phase composition; porosity

PL

kompozyty; nanoproszki; plazmowe spiekanie iskrą elektryczną (SPS); spiekanie wysokociśnieniowe; rozrost ziarna; skład fazowy; porowatość

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2011
• Tom: R. 11, nr 1
• Strony: 34--38
• Opis fizyczny: Bibliogr. 6 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Wyżga P.

autor

Jaworska L.

autor

Bućko M.

autor

Putyra P.

autor

Kalinka A.

• Institute of Metal Cutting, Materials Engineering Department, ul. Wrocławska 37a, 30-011 Cracow, Poland,

Bibliografia

• [1] Pierson H.O., Handbook of Refractory Carbides and Nitrides, Properties, Characteristics, Processing and Applications, Noyes Publications, New Jersey 1996.
• [2] Venkateswaran T., Bikramjit Basu, Doh-Yeao Kim, Spark Plasma Sintering of TiB2 Based Composites, International Symposium of Research Students on Materials Science and Engineering, Chennai, India 2004, December 20-22.
• [3] Lee K.J., Shin Hyuk Kang, Deug Joong Kim, Enhanced sintering of TiB2 with SiC addition prepared by polycarbosilane infiltration, Key Engineering Materials 2005, 287, 102-107.
• [4] Tomoshige R., Murayama A., Matsushita T., Production of TiB2-TiN composites by combustion synthesis and their properties, Journal of the American Ceramic Society 1997, 80, 3, 761-764.
• [5] Khobta I., Petukhov O., Vasylkiv O., Sakka Y. Ragulya A., Synthesis and consolidation of TiN/TiB2 ceramic composites via reactive spark plasma sintering, Journal of Alloys and Compounds 2010, 509, 5, 1601-1606.
• [6] Jalabadze N., Nadaraia L., Mikeladze A., Chedia R., Kukava T., Khundadze L., Spark Plasma Synthesis (SPS) device for sintering of nanomaterials, Abstract, Nanotech Conference@Expo 2009, Houston 2009, 3-7 May.