17698

17698

بررسي اثر افزودن زيركونيا و نيكل بر ميكروساختار و خواص مكانيكي بدنه ها آلومينا

كارشناسي ارشد

سراميك

تير 1396

دكتر رحيم نقي زاده - دكتر فرهاد گلستاني فرد

دكتر حميدرضا رضايي

مواد و متالوژي

چقرمگي و قابليت اطمينان پايين در مواد سراميكي پاسخ گوي نيازهاي مهندسي نمي باشد. تركيب مكانيزم هاي چقرمه سازي استحاله اي زيركونيا و ذرات فلزي باعث بهبود چشم گير در چقرمگي بدنه هاي آلومينا توسط چقرمه سازي هم آيند (Synergistic toughening) مي شود. در اين تحقيق، تاثير افزودن Ni، زمان بندي گرمايش و دوپ كردن MgO بر چگالي، ريزساختار و خواص مكانيكي كامپوزيت هاي Al2O3/(ZrO2+Ni) بررسي شد است. مخلوط پودر اوليه حاوي α-Al2O3، 3YSZ و نيكل نيترات به عنوان منبع فلز نيكل ابتدا در دماي 450 درجه سانتيگراد كلسينه تا مخلوط پودري حاوي NiO بدسا آيد، سپس در بستر ككي در دماي 750 درجه سانتيگراد احيا شده است. تاثير افزودن 0، 2.5، 5 و 7.5 درصد حجمي نيكل به كامپوزيت، كه بدون فشار در 1600 درجه سانتيگراد براي 3 ساعت در يك بستر ككي زينتر شده بود، مطالعه شد است. نتايج نشان داد، بيشترين چگالي نسبي ( درصد 93) و پشينه استحكام شكست (MPa 348) و چقرمگي (½MPa.m 2.22) مربوط به نامونه حاوي 5 درصد حجمي نيكل (AZN5) است. براي رسيدن به چگالي كامل، كامپوزيت مذكور تحت زينترينگ يك مرحله اي (OSS) در T/3h و زينترينگ دو مرحله اي (TSS) در T1/0.5h و T2=1600°C/3h قرار گرفت. روش TSS باعث همگن شدن و كنترل بهتر ريزساختار نسبت به OSS مي شود. سختي كامپوزيت ها با افزايش دماي زينترينگ افزايش يافته و به بيشترين مقدار خود 14.51 GPa در T1 = 1720 °C براي TSS رسيد، همچنين استحكام افزايش يافت به مقدار 417 MPa براي همه ي T1 ها مي رسد. ااگرچه، چقرمگي براي TSS با افزايش T1 كاهش مي يابد. تاثير دوپ كردن MgO در نمونه AZN5 با استفاده از روش هاي PLS و SPS بررسي شد است. در روش PLS، نمونه ها متورم شدند كه به دليل فرار بودن بيشتر Mg در حضور كربن است. با اين حال، اعمال فشار خارجي با روش SPS باعث رفع اين مشكل شده وبدنه كاملا چگالي را بدست مي آيد. علاوه بر اين، خواص مكانيكي كامپوزيت دوپ شده با MgO افزايش يافته است كه ناشي از تركيب شدن اثر پينيگ (Pinning) و مكانيزم چقرمه سازي استحاله اي است. در اين مورد، سختي، استحكام و چقرمگي به مقادير GPa 17 و MPa 801 و½MPa.m 6 افزايش يافته است.

1396/04/21

1/1/1900 12:00:00 AM

The weak toughness and reliability of ceramic cannot meet the engineering demands. The combination of transformation reinforcement of zirconia and metal particles has shown a significant improvement in toughness caused by the synergistic toughening. In the present work, the effect of Ni content, heating schedules and MgO doping on densification, microstructure and mechanical properties of Al2O3/(ZrO2+Ni) composites was investigated. The content of ZrO2 was adopted at 15 vol.% in the final composites. Powder mixtures of Al2O3, 3YSZ and nickel nitrate as a source of Ni metal were prepared by precipitated Ni on ceramic powders. The powder mixtures were calcined at 450 °C and then reduced within a carbon powder bed at 750 °C. The effect of 0, 2.5, 5, 7.5 vol.% Ni addition to composites was studied, at which they were pressureless sintered at 1600 °C for 3 h within a carbon powder bed. The results shown that the addition of 5 vol.% Ni results in the highest relative density of 93 % and the maximum fracture strength and toughness values of 348 MPa and 2.22 MPa.m½, respectively. To ensure full density, the Al2O3/(15 vol.% ZrO2+5 vol.% Ni) composites were conducted by one-step sintering (OSS) at temperatures T for 3 h (T/3 h), and two-step sintering (TSS) at preheating temperatures T1 for 0.5 h and followed by a lower temperature T2 at 1600 °C for 3 h (T1/0.5 h, 1600 °C/3 h). TSS technique produced more homogeneity and controllable microstructure than that for OSS. By comparison, the hardness of composites increased with sintering temperature and attained its highest value of 14.51 GPa at T1 = 1720 °C for TSS, as well as the strength was enhanced and had an equal value of 417 MPa at all T1. However, the toughness for TSS was decreased with increasing T1. The influence of MgO doping Al2O3/(15 vol.% ZrO2+5 vol.% Ni) composites was explored using PLS and SPS. By PLS, the samples bloated because of higher volatility of Mg gas with the presence of carbon. Nevertheless, applying external pressure with SPS overcame that and made possible full dense bodies. In addition, the mechanical properties of the MgO doping composite were greatly enhanced due to the combination of pinning effect and transformation toughening progress. In this case, the hardness, strength and toughness reached values of 17 GPa, 801 MPa and 6 MPa.m½, respectively.