بررسی اثر افزودنی TiC بر ریزساختار و خواص مکانیکی کامپوزیت سرامیکی فوق دما بالا پایه ZrB2-SiC به روش تف جوشی پلاسمای جرقه‌ای چند مرحله‌ای

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان 84156-83111، ایران

چکیده

این پژوهش به بررسی ساخت و ویژگی‌های کامپوزیت سرامیکی فوق دما بالا ZrB2-20 vol% SiC با استفاده از روش تف‌جوشی پلاسمای جرقه‌ای با تکنیک چندمرحله‌ای می‌پردازد. تف‌جوشی ZrB2 به علت ماهیّت کووالانسی و دمای بالای تف‌جوشی با چالش‌هایی همراه است. افزودن SiC تا حداکثر 20 درصد حجمی بهبود قابل توجهی در فرایند تف‌جوشی و خواص مکانیکی کامپوزیت پایه ZrB2 نشان داده است. بنابراین، تأثیر افزودن TiC در محدوده صفر تا پانزده درصد حجمی بر ریزساختار و خواص مکانیکی این کامپوزیت در دمای 1800 درجه سانتی‌گراد و فشار 30 مگاپاسکال مورد بررسی قرار گرفت .نتایج نشان داد که فرایند تف‌جوشی و اتصال ذرات از دمای 1600 درجه سانتی‌‌گراد آغاز شده و تا دمای 1800 درجه سانتی‌گراد ادامه می‌یابد و در این دما تراکم از طریق نفوذ مرزدانه‌ای کنترل می‌شود. افزودن TiC تا 10 درصد حجمی به کامپوزیت ZrB2-SiC و تف‌جوشی آن در دمای ℃ 1800 و زمان ماند 5 دقیقه باعث تشکیل محلول جامد (Zr,Ti)B2 و (Ti,Zr)C در زمینه و واکنش با اکسیدهای سطحی پودر ZrB2 نظیر ZrO2 و B2O3 شد. این تغییرات منجر به افزایش 15 درصدی چگالی نسبی و بهبود خواص مکانیکی شامل سختی (14 درصد)، مدول الاستیک (12 درصد)، استحکام شکست (20 درصد) و چقرمگی شکست (8 درصد) شدند. با این‌حال، با افزایش درصد حجمی TiC از 10 به 15 درصد، کاهش محسوسی در خواص مکانیکی و اندازه بلورک‌های کامپوزیت مشاهده شد.  

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

An Investigation on the Effect of TiC Additive on the Microstructural and Mechanical Properties of Ultra-High Temperature ZrB2-SiC-Based Ceramic Composite by Multi-Step Spark Plasma Sintering Method

نویسندگان [English]

  • S. Pourbahraini
  • M. Ahmadian
Department of Materials Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan 84156-83111, Iran
چکیده [English]

This study investigates the fabrication and characterization of an ultra-high temperature ceramic composite based on ZrB2-20 vol. % SiC using the spark plasma sintering method with a multi-step technique. Sintering of ZrB2 poses challenges due to its covalent nature and high sintering temperature. Adding up to 20 vol. % SiC has shown significant improvement in the sintering process and mechanical properties of the ZrB2-based composite. Therefore, the effect of adding TiC in the range of 0 to 15 vol. % on the microstructural and mechanical properties of the composite was investigated at a temperature of 1800°C and a pressure of 30 MPa. The results indicated that the sintering process and particle bonding start at a temperature of 1600°C and continue up to 1800°C, with densification being controlled by grain boundary diffusion at this temperature. Adding up to 10 vol. % TiC to the ZrB2-SiC composite and sintering at 1800°C for 5 minutes resulted in the formation of (Zr,Ti)B2 and (Ti,Zr)C solid solutions in the matrix and reactions with surface oxides of ZrB2 powder such as ZrO2 and B2O3. These changes led to a 15% increase in relative density and improvements in mechanical properties, including hardness (14%), elastic modulus (12%), fracture strength (20%), and fracture toughness (8%). However, increasing the TiC content from 10 to 15 vol. % resulted in a noticeable decline in the mechanical properties and crystallite size of the composite.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Ultra-high temperature ceramics
  • Ceramic matrix composite
  • Zirconium diboride
  • Silicon carbide
  • Titanium carbide
  • Multi-step spark plasma sintering

مراجع

  1. Magnuson M, Hultman L, Högberg H. Review of transition-metal diboride thin films. Vacuum. 2022; 196:110567. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2021. 110567

    1. Rueschhoff LM, Carney CM, Apostolov ZD, Cinibulk MK. Processing of fiber-reinforced ultra-high temperature ceramic composites: A review. Int J Ceram Eng Sci. 2020;2(1):22–37. https://doi.org/10. 1002/ces2.10033
    2. Guo SQ. Densification of ZrB2-based composites and their mechanical and physical properties: A review. J Eur Ceram Soc. 2009;29(6):995–1011. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2008.11.008
    3. Fahrenholtz WG, Hilmas GE, Talmy IG, Zaykoski JA. Refractory diborides of zirconium and hafnium. J Am Ceram Soc. 2007;90(5):1347–64. https://doi.org/ 10.1002/ces2.10033.
    4. Istgaldi H, Shahedi Asl M, Shahi P, Nayebi B, Ahmadi Z. Solid solution formation during spark plasma sintering of ZrB2–TiC–graphite composites. Ceram Int. 2020;46(3):2923–30. https://doi.org/10. 1016/j.ceramint.2019.09.287
    5. Hong CQ, Zhang XH, Li WJ, Han JC, Meng SH. A novel functionally graded material in the ZrB2-SiC and ZrO2 system by spark plasma sintering. Mater Sci Eng A. 2008;498(1–2):437–41. https://doi.org/ 10.1016/j.msea.2008.08.032
    6. Luning Zhang, Dušan A. Pejaković, Jochen Marschall MG. Thermal and Electrical Transport Properties of Spark Plasma-Sintered HfB 2 and ZrB 2 Ceramics´,. Am Ceram Soc. 2011;94(8):2562–70. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2011.04411.x
    7. Purwar A, Mukherjee R, Ravikumar K, Ariharan S, Gopinath NK, Basu B. Development of ZrB2-SiC-Ti by multi stage spark plasma sintering at 1600°C. J Ceram Soc Japan. 2016;124(4):393–402. https://doi. org/10.2109/jcersj2.15260
    8. Ghafuri F, Ahmadian M, Emadi R, Zakeri M. Effects of SPS parameters on the densification and mechanical properties of TiB 2 -SiC composite. Ceram Int. 2019; 45(8):10550–7. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019. 02.119
    9. Asl MS, Nayebi B, Ahmadi Z, Zamharir MJ, Shokouhimehr M. Effects of carbon additives on the properties of ZrB2–based composites: A review. Ceram Int. 2018;44(7):7334–48. https://doi.org/10. 1016/j.ceramint.2018.01.214
    10. Fattahi M, Azizian-Kalandaragh Y, Delbari SA, Sabahi Namini A, Ahmadi Z, Shahedi Asl M. Nano-diamond reinforced ZrB2–SiC composites. Ceram Int. 2020;46(8):10172–9. https://doi.org/10.1016/j. ceramint.2020.01.008
    11. Istgaldi H, Nayebi B, Ahmadi Z, Shahi P, Asl MS. Characterization of ZrB 2 – TiC composites reinforced with short carbon fibers. Ceram Int. 2020; 46(14): 23155 –64. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.06.095
    12. Lugovy M, Slyunyayev V, Orlovskaya N, Mitrentsis E, Aneziris CG, Graule T. Temperature dependence of elastic properties of ZrB 2 – SiC composites. Ceram Int. 2015;1–7. http://dx.doi.org/10.1016/j.ceramint.2015.10. 044
    13. Ivashchenko VI, Turchi PEA, Gonis A, Ivashchenko LA, Skrynskii PL. Electronic Origin of Elastic Properties of Titanium Carbonitride Alloys. 2006;37 (December):3391–6. https://doi.org/10.1007/s11661-006-1031-9
    14. Mohamed JJ, Salim SAS, Ahmad ZA. Comparative Study on the Effect of Zr4+ and Ca2+ Doping on the Properties of NiO. Procedia Chem. 2016;19:949–54. https://doi.org/10.1016/j.proche.2016.03.140
    15. Sengupta P, Sahoo SS, Bhattacharjee A, Basu S, Manna I. Effect of TiC addition on structure and properties of spark plasma sintered ZrB2–SiC–TiC ultrahigh temperature ceramic composite. J Alloys Compd. 2021;850:156668. https://doi.org/10.1016/j. jallcom.2020.156668
    16. Grigoriev S, Volosova M, Peretyagin P, Seleznev A, Okunkova A, Smirnov A. The Effect of TiC Additive on Mechanical and Electrical Properties of Al2O3 Ceramic. Appl Sci. 2018 Nov 26;8(12):2385. https://www.mdpi.com/2076-3417/8/12/2385
    17. Neuman EW, Harrington GJK, Hilmas GE, Fahrenholtz WG. Elevated temperature electrical resistivity measurements of zirconium diboride using the van der Pauw Method. J Am Ceram Soc. 2019 Dec 24;102(12):7397–404. https://doi.org/10.1111/ jace.16636
    18. Sharma A, Karunakar DB. Effect of SiC and TiC addition on microstructural and mechanical characteristics of microwave sintered ZrB2 based hybrid composites. Ceram Int. 2021;47(18):26455–64. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.06.058
    19. Galizia P, Zoli L, Sciti D. Impact of residual stress on thermal damage accumulation, and Young’s modulus of fiber-reinforced ultra-high temperature ceramics. Mater Des. 2018;160:803–9.https://doi.org/10.1016/ j.matdes.2018.10.019
    20. Balak Z, Shahedi Asl M, Azizieh M, Kafashan H, Hayati R. Effect of different additives and open porosity on fracture toughness of ZrB2–SiC-based composites prepared by SPS. Ceram Int. 2017;43(2): 2209–20. http://dx.doi.org/10.1016/j.ceramint.2016.11.005
    21. Lajtai EZ. A theoretical and experimental evaluation of the Griffith theory of brittle fracture. Tectonophysics. 1971 Feb; 11(2): 129–56. https://doi.org/10.1016/ 0040-1951(71)90060-6

     

     

     

مواد پیشرفته در مهندسی
دوره 43، شماره 2
شهریور 1403
صفحه 29-43

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار

ارتقاء امنیت وب با وف ایرانی