DE4129144A1

DE4129144A1 - Zirconiumoxid-molybdaen-disilicid-zusammensetzung

Info

Publication number: DE4129144A1
Application number: DE4129144A
Authority: DE
Inventors: John Joseph Petrovic; Richard Eugene Honnell
Original assignee: US Department of Energy
Current assignee: University of California
Priority date: 1990-08-31
Filing date: 1991-09-02
Publication date: 1992-03-05
Also published as: GB2247455A; FR2666578A1; GB9116416D0; GB2247455B; JPH0624726A; US5063182A; CA2048838A1

Description

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf nicht-metallische Materialien sowie die Pulvermetallurgie.

Keramikmaterialien haben bestimmte hervorragende Eigenschaf ten, wie beispielsweise eine hohe Temperaturfestigkeit, Korro sionsbeständigkeit, niedrige Dichte und geringe thermische Ausdehnung, was diese Materialien für Hochtemperaturanwen dungsfälle attraktiv macht. Keramikmaterialien unterscheiden sich jedoch von Metallen in einem sehr wichtigen Aspekt: sie sind spröde, d. h. bei Belastung deformieren sie sich nicht, bevor sie brechen. Dieses Fehlen einer Spannungsentlastungs eigenschaft, was auch zur Folge hat, daß Keramikmaterialien nur eine geringe Toleranz hinsichtlich Fehlerstellen besit zen, ist ein Hauptnachteil bei deren Anwendung in struktu rellen Hochtemperaturanwendungsfällen.

Es gibt eine Klasse von Materialien, die die Vorteile eines Keramikmaterials besitzt und bestimmte günstige mechanische Eigenschaften eines Metalls. Diese Materialien sind die so genannten intermetallischen Verbindungen ("intermetallics"), die bei hoher Temperatur die ausgezeichneten Eigenschaften eines Keramikmaterials besitzen, die sich aber mechanisch wie ein Metall verhalten, insofern als sie Nachgiebigkeit- und Spannungsentlastungs-Charakteristika zeigen.

Molybdändisilicid (MoSi₂) ist eine intermetallische Verbin dung, die die Möglichkeit zeigt für strukturelle Anwendungs fälle in oxidierenden Umgebungen bei hohen Temperaturen ein setzbar zu sein. MoSi₂ besitzt einen Schmelzpunkt von 2030°C und sein Oxidationswiderstand bei hoher Temperatur ist sehr gut. Mechanisch verhält sich MoSi₂ wie ein Metall bei hohen Temperaturen, da es bei ungefähr 900 bis 1000°C einen Spröde zu-Ziehfähigübergang besitzt. Auf diese Weise hat MoSi₂ eine Spannungsentlastungs-Eigenschaft bei hohen Temperaturen. Die Hauptprobleme, welche die Verwendung von MoSi₂ als ein Hoch temperatur-Strukturmaterial mit potentieller Verwendung bei Temperaturen im Bereich von 1200 bis 1800°C unmöglich macht, bis zu einer relativ niedrigen Festigkeit bei hohen Temperatu ren und seine Sprödigkeit und das Fehlen einer Bruchzähigkeit bei niedrigen Temperaturen. Bruchzähigkeit kann als ein Wider stand gegenüber Bruch definiert werden. Bei niedrigen Tempe raturen ist die Festigkeit durch den Sprödigkeitsbruch be grenzt, wohingegen bei hohen Temperaturen die Begrenzung durch plastische Deformation oder Kriechen gegeben ist. Damit dieses Material als strukturelles Material, d. h. für Bauteile ver wendbares Material, bei hohen Temperaturen einsetzbar ist, muß sowohl seine Festigkeits bei erhöhter Temperatur als auch sei ne Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur verbessert werden.

Zirconoxid (zirconia, ZrO₂) ist ein Keramikmaterial, welches eine hohe Festigkeit und hohe Bruchzähigkeit bei Raumtempera turen besitzt, aber nicht bei hohen Temperaturen. Dies legt nahe, daß "composites", d. h. zusammengesetzte Materialien aus MoSi₂ und ZrO₂ eine hohe Bruchzähigkeit bei Raumtemperaturen infolge von ZrO₂ und bei hohen Temperaturen infolge von MoSi₂ besitzen.

Reines Zirconiumoxid existiert in einem tetragonalen kristal linen Zustand bei hohen Temperaturen und in einem monoklinen Zustand bei niedrigen Temperaturen. Wenn tetragonales Zirco niumoxid durch seine Transformationstemperatur zur monoklinen Form hinabgekühlt wird, gibt es eine Volumenänderung, die aus reicht, um die elastischen und Bruchgrenzen zu übersteigen und dies kann nur durch Reißen aufgenommen werden. Somit ist die Herstellung von großen Komponenten aus reinem Zirconoxid nicht möglich, weil sich beim Kühlen Risse entwickeln. Diese Volu menausdehnung der tetragonalen zur monoklinen Transformation kann jedoch zur Verbesserung der Bruchzähigkeit und -festig keit ausgenutzt werden.

Die Eigenschaften von Zirconiumoxid können durch Zugabe von kristallographischen Stabilisierungsagenzien modifiziert wer den. Zu diesen Stabilisierungsagenzien gehört Yttriumoxid (Y₂O₃), Magnesiumoxid (MgO), Calciumoxid (CaO) und Ceroxid (CeO₂). Eine Mischung aus Zirconiumoxid und einem Stabilisier agens kann als partiell oder voll stabilisiert gekennzeichnet werden. Partiell stabilisiertes Zirconoxid (PSZ) bleibt in dem tetragonalen Zustand. beim Abkühlen wird sich aber partiell in den monoklinen Zustand unter bestimmten Umständen tranformie ren. Voll stabilisiertes Zirconoxid (fully stabilized zirconia = FSZ) befindet sich im kubischen kristallinen Zustand bei ho hen Temperaturen und bleibt so, wenn es abgekühlt wird. Die Mengen an Stabilisierungsagens zum Erhalt partieller Stabili sation und voller Stabilisation ändert sich mit den verwende ten Stabilisationsagens und kann aus einem Phasendiagramm für Zirconoxid und das Stabilisierungagens bestimmt werden.

Information hinsichtlich Zirconoxid ist verfügbar durch die Veröffentlichung der Firma Magnesium Elektron LTD., Twickenham, England, mit dem Titel "An Introduction To Zirconia; Zirconia And Zirconia Ceramics". Autor dieser Schrift ist R. Stevens von der Universität in Leeds.

Beispiele unmittelbarer Anwendungsfälle für die erfindungsge mäßen Materialien sind Turboladerrotoren für Kraftmaschinen und adiabatische Dieselmotoren, die kein Kühlsystem benötigen. Da die elektrische Leitfähigkeit von MoSi₂ bei Raumtemperatur relativ hoch liegt, ist es möglich, die Elektroentladungsbear beitung der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen einzusetzen. Dieses Verfahren einer Bearbeitung ist wesentlich weniger teu er als der Diamandbearbeitungsprozeß, der derzeit für Zirco niumoxidgegenstände verwendet wird. Obwohl Zirconiumoxid bei Raumtemperatur nicht an 2,45 GHz Mikrowellenstrahlung angekop pelt werden kann, ist zu erwarten, daß die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen dies tun, so daß die Mikrowellenverarbeitung bei deren Herstellung verwendbar ist.

Zusammenfassung der Erfindung. Die Erfindung bezieht sich auf Materialzusammensetzungen, die aus Molybdändisilicid und Zir conoxid bestehen, und zwar in einer von drei Formen: rein, partiell stabilisiert oder voll stabillisiert. Ferner bezieht sich die Erfindung auf Verfahren zur Herstellung der Zusammen setzungen (compositions). Das stabilisierte Zirconiumoxid ist kristallographisch stabilisiert durch dessen Mischung mit Y₂O₃, CeO₂, CaO oder MgO und es kann partiell oder vollständig stabilisiert sein, abhängig von der Menge des in der Mischung verwendeten Stabilisierungsagens.

Im folgenden wird die Erfindung beschrieben.

Die Erfindung bezieht sich auf Zusammensetzungen, die folgende sind: (1) MoSi₂, verstärkt mit Zirconiumoxid, die rein (nicht stabilisiert), partiell stabilisiert oder voll stabilisiert sein können, (2) reines Zirconiumoxid, PSZ oder FSZ, verstärkt mit MoSi₂ und (3) ein ineinandergreifendes (verriegeltes = interlocking) Netzwerk aus MoSi₂ und ZrO₂, was als ein Cermet bezeichnet werden kann.

Es wird angenommen, daß reine ZrO₂-Teilchen die Zähigkeit und Festigkeit einer MoSi₂-Matrix verbessern, und zwar durch einen Mechanismus, der als Transformationsverfestigung oder -zähema chung bekannt ist. Beim Kühlen durch die tetragonal zu mono klin Transformationstemperatur bewirkt die Volumenausdehnung Mikrorisse zur Bildung in der Matrix. Diese Mikrorisse werden die Energie eines sich in der Matrix fortpflanzenden Risses absorbieren oder verteilen, wodurch die Zähigkeit des Keramik materials erhöht wird.

Die Verstärkung von MoSi₂ mit Teilchen aus partiell stabili siertem Zirconiumoxid (PSZ) sieht eine verbesserte Niedrigtem peratur-Bruchzähigkeit vor, und zwar infolge des Mechanismus der Transformation-Zähigkeitserhöhung und hat auch das Poten tial, die erhöhte Temperaturfestigkeit und den Kriechwider stand dieser MoSi₂-Matrixzusammensetzungen zu erhöhen. Der Transformations-Zähigkeitserhöhungs- oder -verzähigungsmecha nimus in PSZ ist unterschiedlich von dem bei reinem ZrO₂. Im PSZ tritt die tetragonal-zu-monoklin-kristallographische mar tensitische Transformation bevorzugt in dem Beanspruchungsfeld an Rißspitzen auf und nicht in der Masse des Materials. Die mit der Transformation assoziierte Volumenänderung senkt die Rißspitzenbeanspruchungen ab, wodurch die Bruchzähigkeit des zusammengesetzten Materials erhöht wird. Die Hochtemperaturef fekte würden auftreten infolge eines Dispersionsverstärkungs effektes auf die Dislokationsbewegung bei erhöhten Temperatu ren in einer ähnlichen Weise zu den Hochtemperatrur-Verfesti gungseffekten, die für SiC-Phaser- und SiC-Teilchenverstärkun gen von MoSi₂ beobachtet wurden.

Die Verbesserung der Eigenschaften einer MoSi₂-Matrix durch Zugabe von FSZ ist nicht auf die Transformations-Zähigkeits vergrößerung zuzuführen, sondern ist wahrscheinlich eine Riß ablenkungs-Zähigkeitsvergrößerung.

Zirconoxid ist sehr stabil und seine niedrige thermische Leit fähigkeit macht es als einen strukturellen Isolator erwünscht. Monolithische Zirconiumoxidmaterialien verlieren - obwohl sie eine hohe Bruchzähigkeit bei niedrigen Temperaturen infolge eines Transformations-Zähigkeitserhöhungseffektes besitzen - ihre zähigkeitserhöhten Eigenschaften, wenn die Temperatur er höht wird, weil die für die Zähigkeitserhöhung verantwortliche martensitische Transformation sich in ihrem Ausmaß mit anstei gender Temperatur vermindert. Typischerweise wird die gesamte Transformations-Zähigkeitsvergrößerung bei Temperaturen ober halb annähernd 900°C verloren. MoSi₂ beginnt jedoch eine pla stische Deformation oberhalb 900 bis 1000°C zu zeigen. Somit könnte die Anwesenheit von MoSi₂-Teilchen in Zirconiumoxid-Ma trizen zu signifikanten Verbesserungen hinsichtlich der bei erhöhter Temperatur auftretenden mechanischen Eigenschaften dieser Matrizen führen, wie beispielsweise der Bruchzähigkeit, der Festigkeit und dem Rißwachstumsverhalten. Oberhalb 1000°C wirken MoSi₂-Teilchen als ziehfähige Metallteilchen hinsicht lich der Beschränkung der Einleitung und der Fortpflanzung von Sprödigkeitsrissen in der Zirkoniumoxidmatrix durch plastische Deformationsenergieabsorption. MoSi₂-Zähigkeitserhöhungeffekte steigen mit ansteigender Temperatur an und kompensieren daher die Abnahme der Transformations-Zähigkeitserhöhung.

Hinsichtlich der Mischungen oder Legierungen der vorliegenden Erfindung sind drei wichtige Punkte zu bemerken. Erstens sind MoSi₂ und ZrO₂ thermodynamisch stabil und werden somit während der Herstellung der zusammengesetzten Materialien nicht rea gieren oder dann, wenn die zusammengesetzten Materialien bei erhöhten Temperaturen verwendet werden. Dies bedeutet, daß die kristallographische Martensittransformation, welche die Zähig keitserhöhung von reinem ZrO₂ und PSZ hervorruft, nicht beein flußt wird durch Änderungen der Zusammensetzung infolge chemi scher Reaktionen. Zweitens wird der Oxidationswiderstand bei erhöhter Temperatur des Zirconiumoxid-Teilchen-MoSi₂-Matrix Composits noch immer gut sein, verglichen mit reinem MoSi₂, da es wenig Reaktion zwischen ZrO₂ und der schützenden SiO₂-Oxi dationsschicht gibt, welche sich auf MoSi₂ bildet (SiO₂ ist thermodynamisch stabil mit ZrSiO₄ bis zu einer Temperatur von annähernd 1700°C). Drittens sind die thermischen Ausdehnungs koeffizienten von MoSi₂ ähnlich (MoSi₂ = 7,2 C^-1 und stabili siertes ZrO₂ = 7,5 C^-1 bei Raumtemperatur). Dies bedeutet, daß jedwede Beanspruchungen durch Fehlanpassung infolge thermi scher Expansion im Composit-System minimal sein werden.

Die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen werden in der folgen den Weise hergestellt. MoSi₂-Pulver mit 99,9% Reinheit wurde von der Firma Alfa Products in Danvers, Maryland, USA, erwor ben und gesiebt, um Pulver zu erhalten, welches durch einen 400 Maschensieb (Öffnung von annähernd 37 Mikron) lief. Das sich ergebende -400 Maschen MoSi₂-Pulver und Zirconiumoxid pulver wurden in einem mechanischen Hochgeschwindigkeits mischer in der erforderlichen Menge zum Vorsehen der gewünsch ten Zusammensetzung vermischt. Eine wäßrige Schlammsuspension, die die gemischten Pulver enthielt und eine Feststoffbeladung von ungefähr 50 Gew.-% hatte, wurde hergestellt. Die Menge der Feststoffe ist nicht kritisch, sollte aber vorzugsweise im Bereich von ungefähr 40% bis ungefähr 65 Gew.-% liegen. Ent ionisiertes Wasser mit einem pH-Wert, eingestellt auf 9,5 mit Ammoniumhydroxid wurde zur Herstellung des Schlamms oder der Aufschlämmung verwendet. Der pH-Wert und das verwendete Ein stellagens sind nicht kritisch. Die Suspension wurde mecha nisch gerührt und Ultraschall ausgesetzt, um die Bestandteile am Absetzen zu hindern, bevor der Guß vorgenommen wurde. Der Schlamm wurde in eine Gipsform gegossen und man ließ ihn absetzen. Der grüne schlammgegossene Körper wurde sodann ge trocknet und auf -10 Maschen (weniger als 2 mm) scherbenzer kleinert, um ein zum Heißpressen geeignetes Material zu erge ben. Natürlich war jede Scherbe oder große Teilchen im wesent lichen homogen infolge des Mischens der Ausgangsmaterialien und der Suspension.

Das zerkleinerte Material wurde in einer mit Grafoil ausge kleideten Form angeordnet und heißgepreßt, und zwar in Schei ben, die eine Größe von annähernd 31,8 mm im Durchmesser mit 6,35 mm Dicke besaßen. Das Heißpressen wurde in Argon ausge führt und die Temperaturen wurden optisch gemessen. Der ange legte Druck war ungefähr 30 MPa und die Probe oder das Muster wurde auf ungefähr 1700°C erhitzt, bei welchem Punkt die Er wärmung gestoppt wurde und eine Halteperiode begann. Die Hal tezeit auf der Spitzentemperatur von ungefähr 1700°C betrug ungefähr 5 Minuten und dann wurde ein langsamer Kühlvorgang gestartet, obwohl es zweckmäßig sein kann, eine längere Hal tezeit von bis zu 8 Stunden zu verwenden. Wenn die abnehmende Temperatur 1200°C erreichte, wurde die Belastung langsam ent fernt und man ließ die Probe auf Raumtemperatur abkühlen. Die kohärente Form wurde sodann aus der Form entfernt. Es wird erwartet, daß die Spitzentemperaturen, die bei diesem Verfah ren verwendet wurden, in einem Bereich von ungefähr 1100 bis ungefähr 2000°C fallen. Der angelegte Druck kann bis zu 210 MPa und bis hinab zu 1,0 MPa oder 0 MPA, wenn druckloses Sintern verwendet wird, reichen.

Das Schlupf- oder Schlammgießen zur Bildung eines grünen Kör pers und sodann die Behandlung des Körpers durch einen Grö ßenreduktionsprozeß erfolgt zum Vorsehen eines homogeneren Materials oder eines Materials, welches besser für das Heiß pressen geeignet ist, als eine trockene Mischung aus den Kom ponenten. Der mit anderen Verfahren zur Herstellung von Mate rial zum Heißpressen vertraute Fachmann erkennt andere für die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen verwendbare Verfahren. Das drucklose Sintern (wobei nur Wärme angelegt wird) einer troc kenen Mischung aus Materialien kann ebenfalls zur Herstellung der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen verwendet werden. Auch kann das Pulver nach dem Mischen heißgepreßt werden, wobei der Schritt des Schlupf- oder Schlammgießens weggelassen wird. Pri mär bestimmend für die Materialteilchengröße beim Heißpressen ist die Homogenität des fertigen Gegenstands oder Artikels oder der fertigen Probe: das für das Heißpressen geeignete Material kann irgendeine bestimmte Teilchengröße besitzen, die in die Heißpreßform paßt.

Bei vorbereitenden Arbeiten zur Sicherstellung der Durchführ barkeit wurden Proben aus 30 Vol.-% PSZ in einer MoSi₂-Matrix hergestellt und gekennzeichnet. Das Stabilisierungsagens in dem Zirconiumoxid war CaO in einer Menge von 2,3 Gew.-%. Eine SEM-Mikrographie des PSZ-Pulvers zeigte, daß eine relativ große Verteilung der Teilchengrößen vorhanden war, wobei die Teilchen im Bereich von annähernd 5 Mikron bis hinab zur Sub mikrongröße vorlagen. Die Röntgenstrahlanalyse des PSZ-Pulvers zeigte eine monokline Hauptphase und eine kleine kubische Pha se mit keiner hervorstechenden Evidenz einer zurückgehaltenen metastabilen Tetragonalphase. Heißgepreßte Proben besaßen Dichten, die ungefähr 96% der Theoretischen betrugen. Die me talographische Untersuchung der Composites zeigte eine dichte Mikrostruktur und eine hinreichend gute Verteilung der PSZ- Teilchen in der MoSi₂-Matrix, obwohl einige mikrostrukturelle Inhomogenitäten sichtbar waren. Die mikrostrukturelle Beobach tung der Proben legt nahe, daß keine Reaktion zwischen den PSZ-Teilchen und der MoSi₂-Matrix infolge des Heißpressens auftrat. Auch die Röntgenstrahlenbeugungsanalyse zeigte, daß es keine Reaktion gab. Dies zeigt an, daß Mischungen von ZrO₂ und MoSi₂ thermodynamisch stabil sind, mindestens bis zu der Heißpreßtemperatur. Es zeigt ferner, daß die Anwesenheit des das Zirconiumoxid stabilisierenden CaO keine weiteren Re aktionen induzierte. Das Röntgenstrahlenbeugungsmuster von PSZ nach dem Heißpressen war ähnlich dem des Pulver-PSZ-Musters. Das Nicht-Vorhandensein chemischer Reaktionen bedeutet, daß die tetragonal-zu-monoklinmartensitische Transformation, die den Transformationszähigkeits-Vergrößerungseffekt erzeugt, nicht negativ beeinflußt wird durch die Änderungen in der Zusammensetzung infolge chemischer Reaktionen. Dies zeigt an, daß es möglich sein sollte, den Transformationszähigkeits- Erhöhungsmechanismus zu optimieren, um das zusammengesetzte Material (Composite) bei niedrigen Temperaturen in signifi kanter Weise zäher zu machen.

Bei einer vorläufigen Bewertung des Oxidationsverhaltens des 30 Vol.-% PSZ-Teilchen-MoSi₂-Matrixcomposites wurde eine Probe in Luft in einem Ofen erhitzt und auf 1500°C 2 Stunden lang vor dem Kühlen gehalten. Die gebildete Oxidschicht erschien makroskopisch glasig und sowohl kohärent als auch an der Com positoberfläche anhaftend. Die Dicke betrug anhähernd 50 Mi kron. Die Schicht enthielt eine weißliche teilchenförmige Pha se. In der Compositeoxidschicht als vorhanden erwartete Phasenspezies oder -arten sind die folgenden: ZrO₂, ZrSiO₄ und SiO₂, da reines MoSi₂ eine glasige SiO₂-Oxidschicht bei dieser Temperatur bildet. Das Phasendiagramm für ZrO₂-SiO₂ zeigt an, daß die festen oder soliden Phasen ZrO₂-ZrSiO₄ und ZrSiO₄-SiO₂ thermodynamisch stabil sind, bis zu einer Tempera tur von anähernd 1700°C, wo sich ein ZrO₂-Flüssig-Zwei-Pha senfeld bildet.

An polierten Abschnitten der 30 Vol.-% PSZ-Teilchen-MoSi₂-Ma trixcompositproben wurden Mikrohärteeinkerbungsbruch-Zähig keitsmessungen vorgenommen, ebenso wie an reinem MoSi₂ für Vergleichszwecke. Eine 10 kg Vickers-Einkerbung oder Eintie fung wurde verwendet. Die Bruchzähigkeit wurde unter Berech nung der Formeln gemäß der folgenden Literaturstelle berech net: Anstis u. a. (G.R. Anstis, P. Chantikul, B.R. Lawn und D.B. Marshall, J. Amer, Ceram, Soc. 64 (1981), 533).

Die Bruchzähigkeit in MPa-m^0,5 der reinen MoSi₂-Probe betrug 2,58; die der 30 Vol.-% PSZ-MoSi₂-Matrix betrug 6,56, was un gefähr 2,5mal größer ist. Die Härte in GPa von MoSi₂ betrug 10,0 und die des Composits betrug 8,49. Die mikroskopische Untersuchung der Testproben zeigte, daß bei der gleichen Ein tiefungslast das radiale Rißmuster in der MoSi₂-Probe signi fikant größer ist als in der Compositeprobe. Die Inspektion eines der Radialrisse des Composite zeigte Rißsegmente, die längs der PSZ-MoSi₂-Phasengrenzen und durch die PSZ-Phase liefen. Die Rißüberbrückung der PSZ-Phase war evident.

Eine Gruppe von Proben mit Zusammensetzungen im Bereich von 10 bis 90 Vol.-% PSZ in einer MoSi₂-Matrix, eine reine ZrO₂-Probe und eine reine MoSi₂-Probe wurden hergestellt, wie oben beschrieben, mit der Ausnahme, daß die Spitzendrucktem peratur 1600°C betrug. Das Stabilisierungsagens, gemischt mit dem Zirconiumoxid war Y₂O₃ in einer Menge von 2,5 Mol.-% (4,5 Gew.-%). Die PSZ hatte eine durchschnittliche Teilchengröße von 0,3 Mikron und wurde erhalten von der Firma Tosoh Corporation in Atlanta, USA, und Tokyo, Japan. Die Raumtemperatur-Bruchzä higkeit dieser Proben wurde bestimmt. Die Ergebnisse dieser Tests sind in der Tabelle I angegeben. Die Daten zeigen einen Anstieg der Bruchzähigkeit mit ansteigenden Mengen von ZrO₂.

Tabelle I

Eine Gruppe von Proben mit einer Zusammensetzung von 80 Vol.-% MoSi₂ und eine rein MoSi₂-Probe wurden, wie oben beschrieben, hergestellt, Die verbleibenden 20 Vol.-% jeder Zusammensetzung oder jedes Composits waren Zirconoxid, wobei eine Probe nicht stabilisiertes Zirconoxid enthielt und der Rest stabilisiertes Zirconoxid unterschiedlicher Zusammensetzungen war. Die Stabi lisierungsagenzien waren Y₂O₃, MgO und CeO₂ in Mengen gemäß Tabelle II. Die Bruchzähigkeit und die Härte bei Raumtempera tur der Proben sind in Tabelle II angegeben. Die 8 Mol.-% Y₂O₃-Probe war vollständig stabilisiert. Alle anderen Proben mit einem Stabilisierungsagens waren partiell stabilisiert. Das unstabilisierte ZrO₂-Composite zeigte eine signifikante Zähigkeitsvergrößerung, verglichen mit reinem MoSi₂, und zwar zeigte sich ein Bruchzähigkeitswert, der dreimal derjenigen von MoSi₂ war. Es wird angenommen, daß dies zurückzuführen ist auf die spontane Transformationszähigkeitsvergrößerung infolge der Mikrorißbildung. Mit der Zugabe von Y₂O₃ zu dem ZrO₂ nahm das Zähigkeitsniveau des Composits signifikant ab; Zähigkeits werte für partiell stabilisierte ZrO₂-Teilchen (2,0, 2,5, 3,0, 4,0 Mol.-%) und voll stabilisiertes ZrO₂′ (8,0 Mol.-%) war niedri ger. Die Zähigkeitswerte für MgO partiell stabilisiertes ZrO₂ und CeO₂ partiell stabilisiertes ZrO₂ waren etwas höher als die entsprechenden Y₂O₃ partiell stabilisierten Materia lien. Es wird angenommen, daß die Mechanismen der Zähigkeits erhöhung der partiell stabilisierten Proben die Rißspitzen transformations-Zähigkeitsvergrößerung ist und daß bei den völlig stabilisierten Proben die Rißablenkungs-Zähigkeitsver größerung die Ursache ist.

Tabelle II

Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor: Materialzusammensetzungen werden vorgesehen, die aus Molybdän, Disilicid und Zirconoxid in einer von drei Formen bestehen: rein, partiell stabilisiert oder vollständig stabilisiert. Ferner werden Verfahren zur Herstellung dieser Zusam mensetzungen angegeben. Das stabilisierte Zirconiumoxid ist kristallographisch stabilisiert, und zwar durch Mischen des selben mit Yttriumoxid, Calciumoxid, Ceroxid oder Magnesium oxid und es kann partiell oder vollständig stabilisiert sein, und abhängig von der Menge des in der Mischung befindlichen Stabilisierungsagens.

Claims

1. Eine Materialzusammensetzung, die folgendes aufweist: Molybdändisilicid und ein Material, ausgewählt aus einer Gruppe, die folgendes aufweist: reines Zirconoxid, partiell stabilisiertes Zirconoxid und vollständig stabilisiertes Zirconoxid.

2. Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das Zirconoxid partiell stabilisiert ist, und zwar durch Zugabe von Calciumoxid, Ceroxid, Yttriumoxid oder Magnesiumoxid.

3. Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das Zirconoxid vollständig stabilisiert ist, und zwar durch Zugabe von Calciumoxid, Ceroxid, Yttriumoxid oder Magnesiumoxid.

4. Verfahren zur Herstellung einer Materialzusammensetzung, die folgendes aufweist: Molybdändisilicid und ein Material ausgewählt aus einer Gruppe, die folgendes enthält: reines Zirconiumoxid, partiell stabilisiertes und vollständig stabilisiertes Zirconoxid, wobei ferner das Verfahren folgendes vorsieht:

a. Mischen von Molybdändisilicid und einem der Zirconoxid materialien zur Bildung einer im wesentlichen homogenen Mischung; und
b. Anlegen von Wärme an die Mischung.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei ferner folgendes vorge sehen ist:

a. Anlegen von Wärme an die Mischung, bis eine Spitzen temperatur erreicht ist;
b. Anlegen von Druck an die Mischung und Erhöhung des Drucks auf die Mischung, bis der Spitzendruck erreicht ist;
c. Halten der Mischung auf ungefähr dem erwähnten Spit zendruck und auf ungefähr der erwähnten Spitzentemperatur für eine Zeitperiode;
d. Verringerung des an die Mischung angelegten Drucks auf atmosphärischen Druck und Abkühlen der Mischung auf Umge bungstemperatur; und
e. Wiedergewinnung einer kohärenten Form oder Gestalt, bestehend aus der Mischung.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Mischung den folgen den Schritten ausgesetzt wird, bevor die Wärme und der Druck angelegt werden:

a. Zugabe von Wasser zu der Mischung und Mischen dersel ben zur Bildung einer Suspension;
b. Gießen der Suspension in eine Form;
c. Trocknen des Gußstücks; und
d. Unterwerfen des getrockneten Gußstücks einem Größen - Verminderungsprozeß zur Reduzierung desselben zu Teilchen mit einer Größe, geeignet zum Heißpressen.

7. Verfahren nach Anspruch 5; wobei die Spitzentemperatur ungefähr 1700°C beträgt.

8. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Spitzendruck ungefähr 30 MPa beträgt.