Fracture toughness of Al2O3-Ni composites with nickel aluminate spinel phase NiAl2O4

• Autorzy: Konopka K. , Miazga A. , Właszczuk J.

Warianty tytułu

PL

Odporność na pękanie kompozytów Al2O3-Ni z udziałem fazy spinelowej glinianu niklu NiAl2O4

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The article presents the results of research on the modification of the properties of ceramic Al2O3 using particles of nickel. As starting materials, powders of Al2O3 and Ni were used, from which mixtures of Al2O3+x% vol. Ni (x = 0, 1, 3, 5) were prepared. They were subjected to sintering in an argon atmosphere at 1450 °C for one hour. The physical properties of the composites such as: density, porosity, absorptivity and contractility were determined. Moreover, analyses of the received phase composites (from the surface and cross-section) have been made using the diffraction method, which showed NiAl2O4 spinel phase formation. Spinel is formed mainly at the border of Ni and Al2O3 grains. It was confirmed in the microstructure photographs taken using scanning and transmission electron microscopy methods. The mechanical properties have been investigated: hardness HV, nanohardness and fracture toughness (crack length measurement method with Vickers indentation). As the amount of nickel hardness HV decreased from 17.3 GPa to 100% Al2O3 to 13.2 GPa for Al2O3 + 5%vol. Ni, the nanohadrness values increased, which could have been caused by the presence of a spinel phase. The composites were characterized by higher resistance to brittle fracture than 100% Al2O3. This was due to blocking, deflecting and bridging cracks in nickel and by branching cracks by spinel particles.

PL

W artykule przedstawione zostały wyniki badań nad modyfikacją właściwości ceramiki Al2O3 cząstkami niklu. Jako surowce wyjściowe wykorzystane zostały proszki Al2O3 i Ni, z których przygotowane zostały mieszaniny Al2O3+x% obj. Ni (x = 0, 1, 3, 5). Poddane zostały one spiekaniu w atmosferze argonu w temperaturze 1450 °C przez jedną godzinę Oznaczone zostały właściwości fizyczne kompozytów, m.in: gęstość względna, porowatość, nasiąkliwość czy skurczliwość. Wykonane zostały także (metodą dyfrakcji) analizy fazowe otrzymanych kompozytów (z powierzchni oraz z przekroju), które wykazały powstanie fazy spinelowej NiAl2O4 głównie w warstwie powierzchniowej. Spinel ten wytworzył się głównie na granicy ziaren Al2O3 oraz Ni, co zostało potwierdzone na zdjęciach mikrostruktury wykonanych z użyciem skaningowego oraz transmisyjnego mikroskopu elektronowego. Zbadane zostały własności wytrzymałościowe: twardość HV30, nanotwardość oraz odporność na kruche pękanie (metodą pomiaru długości pęknięć z odcisku Vickersa). Wraz ze wzrostem ilości niklu twardość HV obniża się z 17,3 GPa dla czystego Al2O3 do 13,2 GPa dla Al2O3+5% obj. Ni, natomiast wartość nanotwardości wzrosła, co mogło być spowodowane obecnością NiAl2O4. Kompozyty charakteryzowały się wyższą odpornością na kruche pękanie niż czyste Al2O3. Spowodowane było to blokowaniem, odchylaniem i mostkowaniem pęknięć na cząstkach niklu oraz rozgałęzianiem pęknięć przez obszary z obecnością spinelu.

Słowa kluczowe

EN

cermetals; Al2O3; fracture toughness; spinel phase

PL

cermetal; Al2O3; odporność na kruche pękanie; faza spinelowa

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2011
• Tom: R. 11, nr 3
• Strony: 197--201
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Konopka K.

autor

Miazga A.

autor

Właszczuk J.

• Warsaw University of Technology, Faculty of Materials Science and Engineering, ul. Wołoska 141, 02-507 Warszawa,

Bibliografia

• [1] Dobrzański L., Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo, WNT, Warszawa 2002.
• [2] Olszyna A., Ceramika supertwarda, WPW, Warszawa 2001.
• [3] Konopka K., Metal particle in a ceramic matrix-SEM and TEM characterization, J. of Microscopy 2006, 223, 285-287.
• [4] Krawczynska A., Biesiada K., Olszyna A., Al2O3-SiCw composites, COMPOSITES 2006, 6, 2 38-43.
• [5] Moya J.S., Lopez-Esteban S., Pecharroman C., The challenge of ceramic/metal microcomposites and nanocomposites, Progress in Materials Science 2007, 52, 1017-1090.
• [6] Sun X., Yeomans J., Microstructure and fracture toughness of nickel particle toughened alumina matrix composites, J. of Materials Science 1996, 31, 875-880.
• [7] Ellerby D.T., Loehman R.E., Al2O3-Ni composites with high strength and fracture toughness, J. Am. Ceram. Soc. 2000, 83, 1279-1280.
• [8] Konopka K. Nickel aluminate spinel (NiAl2O4) in Al2O3-Ni composites, Inżynieria Materiałowa, 2010, 3, 436-438.
• [9] Gizowska M. Szafran M., Konopka K., Bobryk E., Wasilewski L., Kompozyty ceramika-metal otrzymywane z wykorzystaniem ceramicznych mas lejnych, Kompozyty (Composites) 2008, 1, 53-58.
• [10] Wejrzanowski T., Special computer program for image analysis - Micrometer. MSc Thesis, Warsaw University of Technology, Warsaw, Poland 2000.
• [11] Niihara K., Morena R., Hasselmann D.P.H., Evaluation of KIC of brittle solids by indentation method with low crack-to-indent ratios, J. Mater. Sci. Let. 1982, 1, 13-16.
• [12] Tuan W.H., Wu H., Chen R.Z., Effect of sintering atmosphere on mechanical properties of Al2O3/Ni composites, J. Eur. Ceram. Soc. 1997, 17, 735-741.
• [13] Tuan W.H., Lin M.C., Wu H.H., Preparation of Al2O3/Ni composites by pressureless sintering in H2, Ceramics International 1995, 21, 221-225.
• [14] Bolt P.H., Lobner S.F., Geus J. W., Habraken F.H.P.M. Interfacial reaction of NiO with Al2O3 (1120) and polycrystalline α-Al2O3, Applied Surface Science 1995, 89, 339- 349.
• [15] Lieberthal M., Kaplan W.D.: Processing and properties of Al2O3 nanocomposites reinforced with sub-micron Ni and NiAl2O4, Material Science and Engineering 2001, A302, 83-91.
• [16] Konopka K., Maj M., Kurzydłowski K.J., Studies of the effect of metal particles on the fracture toughness of ceramic matrix composites, Materials Characterisation 2003, 51, 335 340.