Alümina içeren seramik kompozitlerin fiziksel özelliklerinin incelenmesi

Abstract

Alümina (CX-AI2O3), sertliği yüksek olmasına karşın aynı samanda son derece gevrek bir yapıya sahiptir. Bu çalışma ile amaçlanan, alüminanın gevrekliğinin giderilmesi, bir başka deyişle kırılma tokluğunun arttırılması ve mukavemetinin yükseltilmesidir. Bunun için ince tos halindeki alümina matrisi içerisine, önce ince tos halindeki Ce ile kısmen stabilise edilmiş sirkonya (ZrOs) daha sonra ince whisker (fiber) yapısındaki titanyum karbür (TiC) maddelerinden farklı oranlarda ilave edilip, disperse edilerek iki ayrı tür seramik komposit malsemesi üretilmiştir. Bu seramik kompositlerin bir kısmı presle, diğer önemli kısmı ise döküm yöntemi ile şekillendirilmişlerdir. Daha sonra bu numuneler, 1400-1580ºC sıcaklıkları arasında sinterlenmiştir. Elde edilen ürünlerin porositesi ile hacim ağırlığı (yoğunluk) ölçülmüş ve mekanik mukavemet testlerine tabî tutularak; sertlik, kırılma tokluğu, kırılma mukavemeti tespit edilmiş, şekillendirmenin, bileşimin ve sıcaklık değişiminin mukavemet üzerine etkileri araştırılmıştır. Ayrıca özellikle alümina-sirknyanın sinterlenmesi sonucunda tetragonal-monoklin ZrO2 modifikasyon dönüşümü nün incelenmesi amacıyla XED (X- ışınları) taraması yapılmış ve hem alümina- sirkonya için hem de alümina- titanyum karbür (fiber) için optik ve elektron mikroskobu (SEM) ile geniş çaplı mikro yapı incelemesi gerçekleştirilmiştir. Bu arada titanyum karbür (fiber) 'in yük sek sıcaklıkta oksitlenme olayı incelenmiş ve oksidasyon hızı ile reaksiyon aktivasyon enerjisi tespit edilmiştir.

Hinsichtlieh der Weiterentwieklung von Konst- ruktionswerkstoffen belegen die keramisehen Werkstoffe immer einen wichtigeren Plats. Wenn man in vielen Bereichen teure Metalle durch die keramische Werkstoffe ersetsen will, ist deren Sprödigkeit bei Raumtemperatur (R.T.)ein bekanntes Hindernis. Dieses Hindernis su über- winden, versueht man verschiedene Möglichkeiten ausau- nutsen. Eine davon 1st die Tetragonal (T) -> Monoklin (M) Umwandlung dispergierter Zr02-Teilchen und die andere ist die dispergierte whiskerformige TiC in AI2O3- Matrix, welehe in der vorliegenden Arbeit durchgeführt und diskutiert wurden. Um die günstige Festigkeits- und Bruchwiederstandsverstarkerung su erreiehen. Mu0 man eine gans wichtige Voraussetsung erfüllen; und swar die homogene Verteilung der Teilchen in AI2Ö3 -Matrix. Au0er- dem gilt lediglich für die Zr02-Teilchen, da3 sie einen kritischen Durchmesser aufweisen roiissen. Diese swei gans wichtigen Forderungen sind abhângig von den Pulver- aufbereitungs verfahren und vom Sintertechnik. Die vor- handenen Pulveraufbereitungsverfahren kann man folgen- derma0en susammenfassen: a) AI2O3 - Pulver + ZrÖ2 - Pulver Naömisehen, mechaniches Rühren, Trocknen. b) AI2O3 - Pulver + TiC (Whisker) - Pulver NaiSmischen, mechaniches Rühren, Trocknen. Reines Zr02 besitst drei Gittermodif ikationen. Vom Schmelspunkt (2700°C) bis etwa 2350°C liegt es in einer kübischen Phase mit Fluoritstruktur vor, darunter geht es in ein tetragonalverserrtes Fluoritgitter über und wandelt schlie01ich unter weiterer Gitterverserrung bei 1150°C martensitisch reversibl in eine monokline Form um. Diese t-Zx-02 -> m-Zr02 Dmwandlung ist mit einer gro|3en Volumendehnung (etwa 8 %) und einer Formânderung verbunden. vxx In Allgemeinen kann man die ausgeprâgten Erschein- ungen der martensitlschen Omwandlung wie folgt ausammen- fassen: a) Die martensitische Omwandlung findet ohne Diffision und durch kooperative Bewegung der vielen Atome beim Shearmechanismus statt. Die Omwandlung ver- bindet sich nicht mit einer Zusammensetaungsânderung, und die Hochtemperaturphase kann nicht durch Abschrecken beibehalten werden. b) Die Menge der umgewandelten Phase ist unabhângig von der Zeit, ist nur Funktion der Temperatur. c) Die martensitische Omwandlung ist verbunden mit einer Fox*manderung. d) Die martensitische Omwandlung ist stetts reversibel e) Die martensitische Omwandlung verbindet sich im Allgemeinen mit einer thermischen Hysteresis, die von einigen Grad su mehreren hundert Grad variiert. Die bisherigen Ontersuchungen ermitteln, da0 be st immte Zulegierungen die t-Zr02 -> m~Zr02 Omwandlung auf niedrige Temperaturen verschieben, und als susâta- liche Hilfe für Stabilisierung der t-ZrOs Phase bei R.T verwendet werden: s.B. Y2O3 als Zulegierung. Die Zr02-Teilchen bringen eine andere wichtige physikalische Eigenschaften mit: Das ist die sogenannt- en "Omwandlungsfestigkeit". Es beruht sich im Prina ip auf der Absorption der Bruchenergie. Die Spitae irgendeines Bisses in einem gespannten Material ist als potentieller Anfangspunkt eines Bruches anausehen. An diesem Punkt ist die Spannungskonaentration maximal. Aber wenn man sich von diesem Punkt entfernt, nimmt die Konaentrationen ab. F.Cir die Si|3erweiterung und für den Bruch ist also eine höhere Energie nötig als die, nur awei neue Ober- flachen au bilden. Man beaeichnet sie als speaifische Bruchenergie G (oder Brucharbeit oder Ri(3weiterungs- kraft) beim lauf enden RiJ3; und als kritische speaifische Vlll Bruchenergie beim katastrophalen Bruch. Es 1st noch nicht im einaelnen bekannt, welche Proaesse dafür ver- antwortlich sind, da{3 beim Bruch ausataliche Energie absorbiert wird. Diskutiert werden plastische Ver- forraungen an der RifSspitae des lauf enden Bruchs, Ri0ver- aweigungen und Einflü(3e von Verunreinigungen und Korn- grenaen. Letsteres stimmt damit überein, da{3 die speaifische Bruchenergie bei Polykristallen den bis au aehnfachen Wert beim Einkristall aufweisen kann. Die Eben genannten Einflüsse kann man aber bewust herbeiführen, um die speaifische Bruchenergie au erhöhen was su einem höheren Kic-Wert und damit auch au einer höheren Festigkeit führen müPte. Man könnte damit das Spröde Verhalten keramischer Werkstoffe mildern und ihre Zâhigkeit erhöhen. Besonders wirksam erscheint die Absorption von Bruchenergie durch plastische Verformung einer aweiten Phase, vor allem aber durch Bildung neuer Oberflâchen. Bei letateren darf es sich natürlich nur um Mikrorisse handeln, die so klein sein müssen, da© sie sich nicht ausammenlagern und nicht die Festigkeit er- niedrigen. Man kann dies bei einer feinkörnigen polykristall- inen Keramik erreichen, wenn die einaelnen Kristalle anisotrope thermische Eigenschaften haben. Sicherer geht es mit dem Einbau einer aweiten Phase, wie am Beispiel von AI2O3 geaeigt hat, dem nicht stabilisiert- es Zr02 augesetat wurde. Dieses Zr02 aeigt beim Ab- kühlen nach der Brand bei etwa 900 °C eine Phasen um- wandlung T -> M, die mit einer starken Dehnung verbund- en ist, wodurch Rif3e um die Korner entstehen. Dadurch erhöht sich Kic, wobei die Wirkung mit steigender Mikro- rif3edichte aunimmt; jedoch wieder abfâllt, ^Qnn bei au hohen Zr02-Gehalten eine Vereinigung eintritt, was bei gröBeren Körnern und damit grö|3eren Mikrorissen eher eintritt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden als Ausgangs- substanaen AI2O3 (A 16 SG) Alcoa (Verunreinigungen: %0.07 Na20, %0.02 Fe2C>3, %0.03 SİO2), Zr02 (PSZ-Cel4) Unit Ceramics (Verunreinigungen: ?4%14 Ce02, %0.10 MgO, %0.15 SİO2, %0.10 Fe203, %0.10 Na20), und TiC-whisker (T1C-DFH5) MCMC (D=5nm und l=25-50um). xx a) Herstellung der AI2O3 - ZrOs Pulvermischungen und Durchgef ührte Versuche : AI2O3 (A 16 SG) Zr02 (PSZ-Cel4) re ine s Was ser Ethylalkoaol mecaaniscaes Rtthren AI2O3 - ZrC>2 kolloidische Lösung Trocknen Kaltpressen S intern Scale if en und Mikroaârte Mess ForositSts- und Dichte- Messungen XRD und optische Mikroskopie Gieöen S in t em Kie- und <7c- messungen PorositSts- und Dichte- messungen Has tare lektronmikroskopie x b) Herstellung der Aİ2Q3-TiC(Whisker) Pulvermischungen und Durchgeführte Versuche. re ine s Was ser Trocknen Kaltpres AI2O3 - TiC (whisker) kolloidische Lösung Oxidationspotential aus TiC : - DTA, TG, XRD Versuche - Oxidationsgesehwindig- keit und aktivierte Energie S intern Porositâts-und Dichte- messungen Mikrohârtemessungen Rastarelektron- mikroskopie Polyethylamin < (%5) Gie0en XI Nach diesen Messungen und Versuchen wurden- folgende Ergebnisse erreicht. 1) Der Einflui3 der Sintertemperatur : Wenn die Sintertemperatur steigt, nimmt die Porösitât ab. 2) Der Einflug des Zr02-Zusataes : Wenn in der Aİ2C>3-Matrix der dispergierte Zr02- Anteil steigt, erreicht man folgende Ergebnisse; - niedrige Porösitât, - maximale Kic- und crc-Werte (Bruehwiederstand oder Bruchfestigkeit), Aber ab einem kritisehen ZrOa-Anteil kehren diese Eigenschaften um; d.h. Zr02 fungiert als Verunreinigung. 3) Der EinfluB des TiC( whisker)-Zusataes : Obwohl gepresste Probekörper bessere Eigen schaften als gegossene ergeben, weisen sie alle relativ höhere Porösitât und niedrige Festigkeiten auf (bei Labor kann man maximal bis 1600 °C gesintert werden).