Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Analiza stereologiczna gęstych spieków kompozytowych w układzie ATZ

Grabowy Marek, Dzidek Wiktoria, Wilk Agnieszka, Wojteczko Kamil, Wojteczko Agnieszka, Łuszcz Maciej, Delikhovskyi Yurii, Pędzich Zbigniew

Materiały Ceramiczne

|

2021

|

T. 73, nr 2

82--91

PL

Kompozyty ATZ (Alumina Toughened Zirconia), składające się z matrycy tetragonalnego ZrO2 modyfikowanej dodatkiem Al2O3, zyskują coraz większą popularność i poszerzają obszar zastosowań wśród ceramicznych materiałów konstrukcyjnych i biologicznych. Wykorzystując mechanizmy poprawy właściwości mechanicznych w kompozytach, udało się znacznie podnieść w nich odporność na kruche pękanie czy wytrzymałość na zginanie. Doskonałe parametry mechaniczne tego typu tworzyw zależą w głównej mierze od ich składu fazowego oraz uzyskanej mikrostruktury. Celem niniejszej pracy było otrzymanie spieków kompozytów ATZ, określenie podstawowych właściwości mechanicznych oraz kompleksowa charakterystyka mikrostruktury nowatorskich kompozytów ATZ. Materiał bazowy wykorzystany do ich przygotowania stanowiła mieszanina proszku ZrO2 otrzymanego za pomocą metod chemii mokrej oraz niewielkiego dodatku nanometrycznego, komercyjnie dostępnego proszku korundu. Właściwe kompozyty ATZ-10 oraz ATZ-20 uzyskano poprzez wprowadzenie do materiału bazowego większych ilości fazy Al2O3 (odpowiednio 10% i 20% obj.). Jako materiał odniesienia do celów porównawczych wykorzystano komercyjnie dostępne proszki nanometrycznego ZrO2 z dodatkiem 3% mol. Y2O3 (typowy materiał TZP). Po należytym przygotowaniu zgładów, wykorzystując mikroskopię skaningową, wykonano szereg zdjęć, które następnie zbinaryzowano i poddano szczegółowej analizie stereologicznej. Uzyskane kompozyty ATZ charakteryzowała wysoka gęstość przekraczająca 99% gęstości teoretycznej, wytrzymałość na zginanie dochodząca do wartości 1 GPa oraz znakomita odporność na kruche pękanie o KIc powyżej 10 MPa•m1/2. Specyficzna metoda wytwarzania, skutkująca intensyfikacją dyfuzji w trakcie spiekania, doprowadziła do uzyskania homogenicznych mikrostruktur o drobnych ziarnach. Analiza stereologiczna pozwoliła na szczegółową charakterystykę mikrostruktury; wyznaczono średni liniowy rozmiar ziaren, średnią powierzchnię ziaren oraz udział poszczególnych faz, odpowiadający realnej zawartości tlenków w zaprojektowanych kompozytach. Znajomość wartości parametrów opisujących postać mikrostruktury stanowi ważny element interpretacji znakomitych właściwości mechanicznych badanych kompozytów ATZ.

XX

ATZ composites (Alumina Toughened Zirconia), consisting of a tetragonal ZrO2 matrix modified with the addition of Al2O3, are gaining more and more popularity and expand the area of application among ceramic construction and biological materials. By using synergistic factors for improving mechanical properties in composites, it was possible to significantly increase their fracture toughness and bending strength. The excellent mechanical properties of this type of materials depend mainly on their phase composition and obtained microstructure. The aim of this study was to obtain novel ATZ composites, determine the basic mechanical properties and conduct a comprehensive characterization of the microstructure of innovative ATZ composites. The base material used for their preparation was a mixture of ZrO2 powder synthesized by wet chemistry methods and a small addition of commercially available corundum nano-powder. The ATZ-10 and ATZ-20 composites were obtained by adding larger amounts of Al2O3 phase into the base material (respectively 10 and 20 vol.%). Commercially available nanometric ZrO2 powders containing 3 mol.% of Y2O3 (typical TZP material) were used as reference material for comparative purposes. After proper preparation of the specimens’ surfaces, a series of images were taken using scanning electron microscopy, which were then binarized and subjected to detailed stereological analysis. The obtained ATZ composites were characterized by high density exceeding 99% of the theoretical density, flexural strength reaching 1 GPa and excellent fracture toughness with KIc above 10 MPa•m1/2. The specific method of fabrication, resulting in diffusion intensification during sintering, led to homogeneous microstructures with fine grains. Stereological analysis allowed for a detailed characterization of the microstructure - the average linear grain size, average grain area and the fraction of individual phases, corresponding to the real content of oxides in the designed composites, were determined. The knowledge of the parameters describing the form of the microstructure is an important element in the discussion about the excellent mechanical properties of the investigated ATZ composites.

2

The abrasive wear susceptibility of innovative ATZ type composites produced by sintering mix of zirconia powders with different chemical composition

Grabowy Marek, Wojteczko Kamil, Wojteczko Agnieszka, Dębiński Piotr, Almansour Sana Ahmad, Minh Le Huy, Bućko Mirosław M., Pędzich Zbigniew

Composites Theory and Practice

|

2020

|

R. 20, nr 1

11--16

EN

Composites based on tetragonal zirconia polycrystals modified with corundum inclusions ATZ (alumina toughened zirconia), are one of the basic and more commonly used ceramic structural materials. They are used especially willingly as parts of devices and machinery working in both dry and wet wear conditions in the presence of hard abrasive particles intensifying wear processes. The mechanical properties of such composites, strength and fracture toughness mainly, strongly depend on their chemical and phase compositions as well as microstructure. The aim of the present work was to investigate an innovative type of ATZ material composed of a mixture of two ZrO2 powders with different chemical composition and a small addition (2.3 vol.%) of nanometric corundum powder. The proper composite materials additionally contained 10 or 20 vol.% commercially available corundum particles. Tests were carried out on the mentioned materials for abrasive wear susceptibility according to the ASTM Dry Sand Test and ASTM Miller Test, using silicon carbide particles as the abrasive medium. As a reference materials, typical TZP (tetragonal zirconia polycrystals) material prepared using commercial powder and ZTA (zirconia toughened alumina) material containing 5 vol.% zirconia dispersed in an alumina matrix were used. The obtained results allowed the usability of the individual composite materials to be verified under various operating conditions.

PL

Kompozyty na osnowie tetragonalnego dwutlenku cyrkonu, modyfikowane wtrąceniami korundowymi (alumina toughened zirconia, ATZ), są jednym z podstawowych i częściej stosowanych ceramicznych tworzyw konstrukcyjnych. Szczególnie chętnie są stosowane jako elementy maszyn i urządzeń pracujące w warunkach tarcia suchego lub w obecności wody, często w obecności twardych cząstek intensyfikujących procesy zużycia. Właściwości mechaniczne tego typu kompozytów, głównie wytrzymałość i odporność na kruche pękanie, silnie zależą od ich składu chemicznego, fazowego i mikrostruktury. Celem niniejszej pracy było zbadanie innowacyjnego typu kompozytów ATZ, w którym jako osnowę zastosowano mieszaninę dwóch proszków ZrO2 o różnym składzie chemicznym z niewielkim (2,3% obj.) dodatkiem nanometrycznego proszku korundu. Właściwe materiały kompozytowe zawierały ponadto komercyjnie dostępne ziarna korundu w ilości 10 lub 20% obj. Wykonano dla tych materiałów testy podatności na zużycie ścierne luźnym ścierniwem węglika krzemu według norm ASTM - Dry Sand Test i Miller Test. Jako materiałów odniesienia użyto typowego materiału TZP (tetragonal zirconia polycrystals) uzyskanego z komercyjnego proszku oraz materiału typu ZTA (zirconia toughened alumina). Otrzymane wyniki pozwoliły zweryfikować użyteczność poszczególnych typów kompozytu w różnych warunkach pracy.

3

SiC-based composites made with SHS derived powders

Wojteczko Kamil, Wojteczko Agnieszka, Strzelecka Marta, Jach Katarzyna, Rosiński Marcin, Liu Yongsheng, Znahg Chengyu, Bućko Mirosław M., Pędzich Zbigniew

Composites Theory and Practice

|

2020

|

R. 20, nr 1

17--22

EN

The applications of silicon carbide-based composites at extremely high temperatures and under high partial pressure of water vapor require some modifications of the silicon carbide structure and microstructure in order to increase the reliability of the composite component. One of the methods of such modification could be to introduce phases containing yttria or chromia compounds into the composite microstructure. The presented paper reports the results of investigations on the SHS of silicon carbide powders enriched with yttrium or chromium precursors. It was experimentally proven that it is possible by the means of the SHS technique to obtain powders containing only silicon carbide and dispersions of yttrium silicate or yttrium silicide. Such powders were consequently compacted by hot-pressing or the U-FAST technique. The level of densification and the phase compositions of the materials were characterized. It was found that the sintering conditions determine the phase compositions of the sintered samples. Consolidation using the hot-pressing technique leads to the decomposition of silicon carbide and reduction of the remaining starting phases. As an effect, free graphite and carbide phases (YC2 or Cr3C2) appear in the sintered samples. Applying the U-FAST technique and short sintering times lasting a few minutes allows some yttium-silicon phases from the SiC-Y system (oxide, carbide, silicide) to be preserved in the sintered material. In the SiC-Cr system after U-FAST consolidation the CrSi2 silicide phase was preserved, which is not desirable in the final material because of its relatively low melting point of 1470°C.

PL

Zastosowania materiałów kompozytowych na bazie węglika krzemu w warunkach ekstremalnie wysokich temperatur i pod wysokim ciśnieniem parcjalnym pary wodnej wymagają pewnej modyfikacji struktury oraz mikrostruktury węglika krzemu, w celu zwiększania niezawodności kompozytowego komponentu. Jednym ze sposobów takiej modyfikacji może być wprowadzenie do mikrostruktury kompozytowej faz zawierających itr lub chrom. Niniejsza praca prezentuje wyniki badań, otrzymanych syntezą SHS, proszków kompozytowych na osnowie węglika krzemu wzbogaconej prekursorami itru i chromu. Dowiedziono eksperymentalnie, że jest możliwe uzyskanie metodą SHS proszków zawierających tylko węglik krzemu i wtrącenia krzemianu itru lub krzemku itru. Wytworzone proszki zostały poddane zagęszczaniu za pomocą dwóch różnych metod, tj. prasowania na gorąco (HP) oraz techniki U-FAST. Scharakteryzowano poziom zagęszczenia otrzymanych spieków kompozytowych oraz ich skład fazowy. Stwierdzono, że warunki spiekania determinują skład fazowy spieków. Zagęszczanie przez hot-pressing prowadzi do rozkładu węglika krzemu i do redukcji pozostałych faz wyjściowych, w wyniku czego w spiekach pojawia się wolny grafit oraz fazy węglikowe (YC2 lub Cr3C2). Zastosowanie techniki U-FAST i krótkich, kilkuminutowych czasów spiekania pozwala na zachowanie w spiekach z układu SiC-Y faz itrowo-krzemowych (tlenku, węglika i krzemku). W spiekach z układu SiC-Cr zachowana zostaje faza krzemkowa CrSi2, która nie jest pożądana w finalnym materiale ze względu na niską temperaturę topnienia 1470°C.

4

Tribological Properties of Al2O3/ZrO2 Sintered Ceramics

Wiązania Grzegorz, Kot Marcin, Wojteczko Agnieszka, Pędzich Zbigniew

Tribologia

|

2019

|

nr 1

67--72

EN

The paper presents mechanical and tribological properties of Al2O3/ZrO2 composite sinters with different proportions of Al2O3 and ZrO2 phases. These materials are commonly used in dry friction contact due to relatively low manufacturing costs of even complex shapes of products and the possibility of working at elevated temperatures. The tests were carried out by the ball-on-disc method at temperatures of 20, 150, 300, and 500°C. A ball made of Al2O3 was used as a counterpart. The results were compared with the following sintered mono-phase materials: Al2O3 (alumina) and tetragonal yttria-stabilized ZrO2 polycrystallines (Y-TZP). The tests showed the significantly better properties of composite materials.

PL

W pracy przedstawiono właściwości mechaniczne i tribologiczne spieków kompozytowych Al2O3/ZrO2 o różnej proporcji faz Al2O3 i ZrO2. Są to materiały chętnie stosowane w węzłach tarcia suchego ze względu na relatywnie niskie koszty wytwarzania nawet skomplikowanych kształtów wyrobów i możliwość pracy w podwyższonych temperaturach. Testy przeprowadzono na stanowisku z węzłem tarcia ball-on-disc w temperaturach 20, 150, 300 i 500°C, jako przeciwpróbkę zastosowano kulkę wykonaną z Al2O3. Wyniki badań porównywano z wynikami badań spieków wytwarzanych z materiałów jednofazowych: α- Al2O3 (korund) i tetragonalnych polikryształów ZrO2 stabilizowanych tlenkiem itru (tzw. Y-TZP). Badania wykazały znacząco lepsze własności materiałów kompozytowych.

5

The influence of sintering technique on microstructure and properties of ZrO2/Al2O3 composite

Wojteczko Agnieszka, Wojteczko Kamil, Strzelecka Marta, Nam Tatyana, Jach Katarzyna, Rosiński Marcin, Bućko Mirosław M., Pędzich Zbigniew

Composites Theory and Practice

|

2019

|

R. 19, nr 4

157--160

EN

The following paper presents the results of investigations on the microstructure and mechanical properties of sintered composites in the zirconia-alumina system, fabricated by various sintering techniques. The investigations were performed for a particulate composite consisting of two continuous ceramic phases - zirconia (TZP) and alumina (α-Al2O3), 50 vol.% each. Two different methods were used to produce the samples: pressureless sintering and the U-FAST technique. The microstructure of the obtained sintered composite samples was evaluated using a scanning electron microscope. In addition, the density of the sintered bodies, their hardness and fracture toughness were investigated to evaluate the mechanical properties. Based on the obtained results of the investigations, the influence of the sintering technique on the microstructure and mechanical properties of the sintered composites was determined.

PL

Niniejsza praca prezentuje wyniki badań mikrostruktury oraz właściwości mechanicznych spieków kompozytowych na bazie tlenku cyrkonu i tlenku glinu, otrzymanych różnymi technikami spiekania. Materiał wykorzystany do badań to kompozyt ziarnisty składający się z dwóch ciągłych faz ceramicznych - tlenku cyrkonu (TZP) i tlenku glinu (α-Al2O3), po 50% objętościowych każda. Próbki zostały wytworzone za pomocą dwóch różnych metod, tj. spiekania swobodnego oraz techniki U-FAST. Dokonano oceny mikrostruktury otrzymanych spieków kompozytowych za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego. Dodatkowo przeprowadzono badanie ich stopnia zagęszczenia oraz ich twardości i odporności na kruche pękanie w celu określenia właściwości mechanicznych. Na podstawie otrzymanych wyników określono wpływ techniki spiekania na mikrostrukturę spieków kompozytowych, a co za tym idzie na ich właściwości mechaniczne.