Superwytrzymałe kompozyty w układzie stabilizowany ZrO2-Al2O3

• Autorzy: Pyda, W. , Pyda, A.

Warianty tytułu

EN

Composites with extremely high strength in the stabilized ZrO2-Al2O3 system

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Posługując się submikronowymi, handlowymi proszkami tlenków cyrkonu i glinu wytworzono superwytrzymałe kompozyty z osnową ceramiczną w układzie ZrO2-Al2O3. Składy chemiczne odnosiły się do kompozytów TZP/Al2O3 i ZTA. Jednorodne mieszaniny proszku cyrkoniowego stabilizowanego 3% mol. Y2O3 oraz proszku alfa-Al2O3 przygotowano drogą fizycznego mieszania na mokro. Wartość pH zawiesiny wodnej wyjściowych proszków utrzymywano na poziomie 7,5 aby uzyskać efekt heteroflokulacji sprzyjający jednorodności układu. Mieszaniny konsolidowano wykorzystując dwie metody. Pierwsza obejmowała izostatyczne prasowanie na zimno próbek pod ciśnieniem 300 MPa oraz następne ich spiekanie swobodne w powietrzu. Druga metoda angażowała prasowanie na gorąco pod ciśnieniem 25 MPa w atmosferze argonu. Próbki spiekano przez 2 godz. w 1500 i 1650 °C stosując ten sam cykl ogrzewania dla obydwu metod. Szczegółowej charakterystyce poddano właściwości proszków (BET, dyfraktometria rentgenowska), upakowanie cząstek proszków w surowych wypraskach (porozymetria rtęciowa) oraz mikrostrukturę skonsolidowanych kompozytów (SEM w połączeniu z ilościową analizą obrazu). Zmierzono odporność na pękanie (wciskanie wgłębnika Vickersa), wytrzymałość (trójpunktowy test zginania) oraz podatność na zużycie (dry sand test). Zbadano wpływ zawartości Al2O3 i metody konsolidacji na poziom uzyskiwanych właściwości mechanicznych. Wyjściowy proszek dwutlenku cyrkonu składał się z nanometrycznych krystalitów (26-36 nm). Proszek alfa-Al2O3 zawierał krystality o rozmiarze 124 nm. Obydwa proszki były zaglomerowane. W surowych wypraskach stwierdzono jednomodalne rozkłady wielkości porów. Rozmiar porów zależał od zawartości cząstek korundu. Zarówno wtrącenia cyrkoniowe, jak i korundowe były jednorodnie rozproszone w mikrostrukturze odpowiednich kompozytów. Były to głównie wtrącenia międzyziarnowe. Hamowały one wzrost ziaren osnowy. Prasowanie na gorąco prowadziło do kompozytów o gęstości bliskiej teoretycznej (99,5+,-0,3 %). Kompozyty spiekane swobodnie uzyskały zagęszczenie niższe jedynie o ~0,6% ale wytrzymałość na zginanie mniejszą aż o 60-350%. Przyczyną tego był większy rozmiar wad technologicznych w materiałach spiekanych swobodnie w porównaniu z prasowanymi na gorąco. W tym ostatnim przypadku stwierdzono niezwykle wysoką wytrzymałość mechaniczną. Materiały TZP zawierające 5 i 40 % obj. cząstek Al2O3 miały wytrzymałość na zginanie odpowiednio 1,7 +,- 0,2 GPa i 1,6 +,- 0,2 GPa. Kompozyty ZTA pokazały wytrzymałość 1,0 š 0,1 GPa przy zawartości cząstek TZP równej 10 % obj. Najniższą podatność na ścieranie stwierdzono w przypadku kompozytu TZP/Al2O3 spiekanego swobodnie, który zawierał 10 do 20% obj. cząstek Al2O3. Prasowanie na gorąco miało negatywny wpływ na podatność na ścieranie z powodu odtlenienia roztworu stałego ZrO2 i zmniejszonej w związku z tym skłonności do przemiany fazy tetragonalnej w jednoskośną.

EN

Extremely high strength ceramic matrix composites in the ZrO2-Al2O3 system were produced using commercial zirconia and alumina powders of submicron particle size. Chemical compositions were related to TZP/alumina and ZTA composites. Homogeneous mixtures of the zirconia powder stabilized with 3 mol % yttria and the alpha-Al2O3 one were prepared by means of physical mixing in water. The pH value of suspensions was adjusted on 7.5 to obtain a heteroflocculation effect which favoured homogeneity of the two component mix powders. The mixtures were consolidated using two methods. The first one consisted of cold isostatic pressing of the samples under 300 MPa followed by pressureless sintering in air. The second one involved hot pressing under 25 MPa in argon. The samples were sintered for 2 h at 1500-1650 °C using heating cycles that were the same for both consolidation methods. Detailed characterization was made with respect to the powder properties (BET, X-ray diffractometry), packing of the particles in green compacts (mercury porosimetry) and microstructure of the consolidated composites (SEM combined with a quantitative image analysis). Fracture toughness (Vickers indentation), strength (three point bending test) and wear ("dry sand test") were measured. Studied was an influence of alumina content and the consolidation method on mechanical properties of the composites. The original zirconia powder was composed of nanometric crystallites (26-36 nm). The alpha-alumina one contained crystallites of 124 nm in size. Both powders were agglomerated. Monomodal pore size distributions were detected in green compacts. The pore sizes depended on alumina particle content. The zirconia or alumina particles were uniformly dispersed within microstructure of the appropriate composites. The paniculate inclusions were mainly of intergranular type. They inhibited matrix grain growth. Hot pressing provided composites of nearly theoretical density (99.5+,-0.3%). The pressureless sintered composites obtained density lower only by ~ 0.6 % but simultaneously the bending strength values were lower till by 60 - 350%. The reason was a larger size of technological flaws in pressureless sintered materials than in those hot pressed. In the latter case extremely high mechanical strengths have been found. A bending strength of 1.7 +,- 0.2 GPa and 1.6 +,- 0.2 GPa was measured for the TZP materials that contained 5 and 40 vol. % of alumina particles, respectively. The ZTA composite showed a strength of 1.0 +,- 0.1 GPa when contained 10 vol. % TZP particles. The lowest wear has been found for the pressureless sintered TZP/Al2O3 composites that contained 10 to 20 vol. % alumina particulates. Hot pressing has a negative influence on wear due to the deoxidation of zirconia solid solution and so, decreased transformability of tetragonal phase.

Słowa kluczowe

PL

kompozyt; osnowa ceramiczna; proszek dwutlentu cyrkonu; izostatyczne prasowanie na zimno; prasowanie na gorąco

• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2005
• Tom: Vol. 26, nr 2
• Strony: 61-66
• Opis fizyczny: Bibliogr. 10 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Pyda, W.

• Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Akademia Górniczo-Hutniczna, Kraków,

autor

Pyda, A.

• Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Akademia Górniczo-Hutniczna, Kraków

Bibliografia

• [1] Claussen N.: Fracture Toughness of A12O3 with an Unstabillzed ZrO2 Dispersed Phase, J. Am. Ceram. Soc., 59, [1-2], (1976), 49-51
• [2] Tsukuma K., Ueda K., Shimada M.: Strength and Fracture Toughness of Isostatically Hot-Pressed Composites of A12O3 and Y2O3 -Partially-Stabilized ZrO2 , J. Am. Ceram. Soc., 68, [1], (1982), C-4 - C-5
• [3] Goski D., Kwak J. C. T., Konsztowicz K. J.: Electrokinetic Behaviour of Zirconia-Alumina Colloidal Suspensions in Water and in Electrolyte, Cer. Eng. & Sci. Proc., 12 [9-10], (1991), 2075-2083
• [4] Lee W. E., Ramforth W. M.: Ceramics Microstructures - Property Control by Processing, Chapman & Hali, London, 1994, rozdział 9.1.1.
• [5] Sałtykow S. A., Stereometric Metallography, wyd. 3, Metallurgia, Moskwa, 1970
• [6] Niihara K.: A Fracture Mechanics Analysis of Indentation Induced Palmqvist Crack in Ceramics, J. Mater. Sci. Lett., 2, (1983), 221
• [7] Lawn B.: Fracture of Brittle Solids, II wyd., Cambridge, UK, 1993
• [8] LangeF. F.: Processing-RelatedFractureOrigins: I, Obseryationsin Sintered and Isostatically Hot-Pressed Al2O3 /ZrO2 Composites, J. Am. Ceram. Soc., 66, [6], (1983), 396-98
• [9] FukuharaM.:Propertiesof(Y)ZrO2 -Al2O3 and(Y)ZrO2 -Al2O3 -(TiorSi)C Composites, J. Am. Ceram. Soc., 72, ("l989), 236
• [10] Haberko K., Pędzich Z., Piekarczyk J., Bućko M. M„ Suchanek W.: Tetragonal Polycrystals under Reducing Conditions, Third Euro-Ceramics V.l, f. Duran, J. F. Fernandez (eds), Faenza Editrice Iberica S.L. 1993, s. 967-971