Badania nad kompozytami ziarnistymi dwutlenku cyrkonu z wtrąceniami $TiB_{2}$

Abstract

A novel method of the $YZrO_{2}/TiB_{2}$ structural composites obtaining is proposed in the work. The method involves pressure-less sintering of the composite powders in situ synthesized by solid state chemical reactions, leading to production of the $TiB_{2}$ particles among $YZrO_{2}$ grains. Titanium oxide, which is one of the $TiB_{2}$ precursors, is introduced into reaction mixture in the form of $Y_{2}O_{3}-TiO_{2}-ZrO_{2}$ solid solution nanopowders of variable $TiO_{2}$ concentration or as $Y_{2}O_{3}-TiO_{2}-ZrO_{2}$ and $ZrTiO_{4}$ mixture. The boric acid, amorphous boron and carbon powders are additional precursors. The method represents so called “bottom up” process, which enables crystallization of sub-micron $TiB_{2}$. The research showed that applying of amorphous boron and the synthesis temperature equal to $1300^{\circ}C$ suppresses formation of the impurities of titanium carbide, $Zr(C,B)$ solid solutions as well as segregation of $Y_{2}O_{3}$ into yttrium borate (which is unfavourable for the zirconia matrix phase composition). The concentration of $TiO_{2}$ in a recursors mixture correlates linearly with $TiB_{2}$ fraction in the composite powder. The $Y-ZrO_{2}/TiB_{2}$ composites sintered at $1500 – 1500^{\circ}C$ exhibited: Vickers hardness as high as 17.8 GPa, bending strength up to $985 MPa, K_{Ic}$ up to $7,2 MPa \cdot m^{-1/2}$, competitive durability in the cutting tools applications, and wear resistance even 3.7 times higher than that of the 3Y-TZP dense ceramics.

W pracy zaproponowano nowy sposób uzyskiwania konstrukcyjnych kompozytów ziarnistych $YZrO_{2}/TiB_{2}$, przez spiekanie swobodne proszków kompozytowych otrzymanych za pomocą tzw. syntezy in situ, bazującej na reakcjach chemicznych w stanie stałym, wiodących do wytworzenia cząstek $TiB_{2}$ wśród ziaren $YZrO_{2}$. Tlenek tytanu, będący jednym z prekursorów $TiB_{2}$, wprowadza się do mieszaniny reakcyjnej w formie nanoproszków roztworu stałego $Y_{2}O_{3}-TiO_{2}-ZrO_{2}$ o zmiennej zawartości $TiB_{2}$ lub mieszaniny $Y_{2}O_{3}-TiO_{2}-ZrO_{2}$ i $ZrTiO_{4}$. Pozostałe prekursory TiB2 stanowią proszki $H_{3}BO_{3}$, boru amorficznego i pirowegla. Technika ta jest tzw. procesem „bottom up”, pozwalającym uzyskać sub-mikronowy $TiB_{2}$. W toku badan wykazano, że zastosowanie boru amorficznego i temperatury syntezy $1300^{\circ}C$ pozwala uniknąć tworzenia zanieczyszczeń w formie węglika tytanu, roztworów stałych węglika cyrkonu z borem, oraz segregacji $Y_{2}O_{3}$ do boranu itru (co jest niekorzystne z punktu widzenia składu fazowego osnowy tlenkowej). Stwierdzono liniowa korelacje pomiędzy stężeniem molowym $TiB_{2}$ w frakcji tlenkowej prekursorów proszku kompozytowego a udziałem $TiB_{2}$. Ceramikę $Y-ZrO_{2}/TiB_{2}$ spiekana w zakresie $1500-1550^{\circ}C$ charakteryzowała twardość Vickersa do 17,8 GPa, wytrzymałość na zginanie do $985 MPa, K_{Ic}$ do $7,2 MPa \cdot m^{-1/2}$, konkurencyjna trwałość w aplikacji na noże tokarskie, oraz odporność na ścieranie nawet 3,7 razy większa niż gęstego 3Y-TZP.