Physico-chemical properties of fine-grained powder in Al2O3-ZrO2-Y2O3-CeO2 system produced by combined method

• Autorzy: Smyrnova-Zamkova M. Y. , Ruban O. K. , Bykov O. I. , Dudnik O. V.

Warianty tytułu

PL

Właściwości fizykochemiczne drobnoziarnistego proszku w układzie Al2O3-ZrO2-Y2O3-CeO2 wytwarzanego metodą kombinowaną

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

At present due to the emergence of new methods of synthesising starting powders and their consolidation, Al2O3-based high-strength ceramic materials toughened by ZrO2 (ZTA) are widely used as structural materials for various purposes. It is known that the material properties depend on the properties of the starting powders. Combined methods of powder preparation essentially extend the possibility to vary the powder properties. The purpose of this work is to produce a fine-grained powder of the composition (mol%) 58.5 α-Al2O3 - 41.5 ZrO2 (Y2O3, CeO2) by a combined method (hydro-thermal synthesis in an alkaline medium/mechanical mixing). The resultant fine-grained powder was heat-treated at 400, 550, 700, 850, 1000, 1150, 1300, and 1450°C with holding for 2 hours at each temperature. The properties of the synthesized powders were characterized by differential thermal analysis (DTA), scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD) and specific surface measurements (BET). The microstructural and phase analyses were conducted by petrographic study. The powder morphology varies continuously topologically. The agglomerates after mechanical mixing had an irregular shape up to 1450°C. A tetragonal solid solution based on ZrO2 (T-ZrO2) and α-Al2O3 was identified in the powder after mechanical mixing. T-ZrO2, as well as a monoclinic solid solution based on ZrO2 (M-ZrO2) and α-Al2O3 were identified after heating at 1450°C. The research results will be used for the microstructural design of ZTA composites.

PL

Obecnie, dzięki pojawieniu się nowych metod syntezy proszków wyjściowych i ich konsolidacji wysoko wytrzymałe materiały ceramiczne na bazie Al2O3 hartowane przez ZrO2 (ZTA) są szeroko stosowane jako materiały konstrukcyjne do różnych celów. Wiadomo, że właściwości materiału zależą od właściwości wyjściowych proszków. Połączone metody przygotowania proszku w istotny sposób rozszerzają możliwość zmiany właściwości proszku. Celem tej pracy jest wytworzenie drobnoziarnistego proszku o składzie (% mol) 58,5 α-Al2O3 - 41,5 ZrO2 (Y2O3, CeO2) metodą łączoną (synteza hydrotermiczna w środowisku alkalicznym/mieszanie mechaniczne). Uzyskany drobnoziarnisty proszek poddano obróbce cieplnej w temperaturze 400, 550, 700, 850, 1000, 1150, 1300 i 1450°C z utrzymywaniem przez 2 godziny w każdej temperaturze. Właściwości zsyntetyzowanych proszków scharakteryzowano za pomocą różnicowej analizy termicznej (DTA), skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM), dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) i specyficznych pomiarów powierzchni (BET). Za pomocą badań petrograficznych przeprowadzono analizy mikrostrukturalne i fazowe. Morfologia proszku zmienia się w sposób ciągły topologicznie. Aglomeraty po mechanicznym mieszaniu miały nieregularny kształt do temperatury 1450°C. Tetragonalny stały roztwór oparty na ZrO2 (T-ZrO2) i α-Al2O3 został zidentyfikowany w proszku po mechanicznym mieszaniu. T-ZrO2, jak również jednoskośny stały roztwór na bazie ZrO2 (M-ZrO2) i α-Al2O3 otrzymano po ogrzewaniu w temperaturze1450°C. Wyniki badań zostaną wykorzystane do mikrostrukturalnego projektowania kompozytów ZTA.

Słowa kluczowe

EN

ZTA; nanocrystalline powder; fine-grained powder; solid solution based on ZrO2; phase transition; microstructure design

PL

ZTA; proszek nanokrystaliczny; drobnoziarnisty proszek; stały roztwór na bazie ZrO2; przemiana fazowa; projektowanie mikrostruktury

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2018
• Tom: R. 18, nr 4
• Strony: 234--240
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Smyrnova-Zamkova M. Y.

• Frantsevich Institute for Problems of Materials Science, Nat. Acad. of Sci. of Ukraine, Krzhizhanovsky str., 3, 03680, Kyiv-142, Ukraine

autor

Ruban O. K.

• Frantsevich Institute for Problems of Materials Science, Nat. Acad. of Sci. of Ukraine, Krzhizhanovsky str., 3, 03680, Kyiv-142, Ukraine

autor

Bykov O. I.

• Frantsevich Institute for Problems of Materials Science, Nat. Acad. of Sci. of Ukraine, Krzhizhanovsky str., 3, 03680, Kyiv-142, Ukraine

autor

Dudnik O. V.

• Frantsevich Institute for Problems of Materials Science, Nat. Acad. of Sci. of Ukraine, Krzhizhanovsky str., 3, 03680, Kyiv-142, Ukraine

Bibliografia

• [1] Hannink R.H.J., Kelly P.M., Muddle B.С., Transformation toughening in zirconia - containing сeramics, J. Am. Ceram. Soc. 2000, 83, 3, 461-487.
• [2] Dudnik E.V., Tsukrenko V.V., Glabai M.S., Ruban A.K., Red’ko V.P., Khomenko A.I., Nanocrystalline powders in ZrO2-Y2O3-CeO2-Al2O3-CoO system for microstructural design of ZrO2-bazed color composites, Powder Metallurgy and Metal Ceramics 2017, 56, 7-8, 407-415.
• [3] Chevalier J., Deville S., Munch E., Jullian R., Critical effect of cubic phase on aging in 3 mol% yttria-stabilized zirconia ceramics for hip replacement prosthesis, Biomaterials 2004, 25, 5539-5545.
• [4] Kumar P.A., Biswas K., In vitro cytocompatibility, ageing and wear behavior of ceria stabilized zirconia bioceramic, Ceram. Intern. 2014, 40, 15889-15895.
• [5] Ponnilavan V., Kannan S., Structural, morphological and mechanical characteristics on the role of excess ceria additions in zirconia toughened alumina systems, Journal of Alloys and Compounds 2017, 694, 1073-1082.
• [6] Rejab N.A., Zahirani A., Azhar A., Ratnam M.M., Ahmad Z.A., The effects of CeO2 addition on the physical, microstructural and mechanical properties of yttria stabilized zirconia toughened alumina (ZTA), Int. J. Refract. Met. Hard Mat. 2013, 36, 162-166.
• [7] Dudnik E.V., Shevchenko A.V., Ruban A.K., Redko V.P., Lopato L.M., Microstructural design of ZrO2-Y2O3-CeO2-Al2O3 materials, Powder Metallurgy and Metal Ceramics 2011, January 49, 528-536.
• [8] Naga S.M., Abdelbary E.M., Awaad M., Effect of the preparation route on the mechanical properties of yttria-ceria doped tetragonal zirconia. Ceram. Intern. 2013, 39, 2, 1835-1840.
• [9] Lakiza S.N., Lopato L.M., Stable and metastable phase relations in the system alumina-zirconia-yttria, J. Am. Ceram. Soc. 1997, 80, 4, 893-902.
• [10] Lopato L.M., Andrievskaya E.R., Interaction of cerium oxide with hafnium, zirconium, and yttrium oxides at 1500°C, Powder Metallurgy and Metal Ceramics 2001, 40, 405-413.
• [11] Palmero P., Naglieri V., Chevalier J., Fantozzi G., Montanaro L., Alumina based nanocomposites obtained by doping with inorganic salt solution: application to immiscible and reactive system, J. Europ. Ceram. Soc. 2009, 29, 59-66.
• [12] Naglieri V., Joly-Pottuz L., Chevalier J., Lombardi M., Montanaro L., Follow-up of zirconia crystallization on a surface modified alumina powder, J. Europ. Ceram. Soc. 2010, 30, 3377-3387.
• [13] Sommer F., Landfried R., Kern F., Gadow R., Mechanical properties of zirconia toughened alumina with 10-24 vol.% 1.5 mol% Y-TZP reinforcement, J. Europ. Ceram. Soc. 2012, 32, 3905-3910.
• [14] Palmero P., Sola A., Naglieri V., Bellucci D., Lombardi M., Cannillo V., Elaboration and mechanical characterization of multi-phase alumina-based ultra-fine composites, J. of Material. Scien. 2012, 47, 1077-1084.
• [15] Naglieri V., Palmero P., Montanaro L., Chevalier J., Elaboration of alumina-zirconia composites: Role of the zirconia content on the microstructure and mechanical properties, Materials 2013, 6, 2090-2102.
• [16] Palmero P., Montanaro L., Reveron H., Chevalier J., Surface coating of oxide powders: A new synthesis method to process biomedical grade nano-composites, Materials 2014, 7, 5012-5037.
• [17] Shigeyuki Sōmiya, Tokuji Akiba, Hydrothermal zirconia powders: A bibliography, J. Europ. Ceram. Soc. 1999, 19, 81-87
• [18] Dudnik E.V., Shevchenko, Variation in properties of ZrO2-Y2O3-CeO2-Al2O3 powders during thermal treatment at 400 to 1300°C, Powder Metal. Met. Ceram. 2010, 49, 125-134.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).