DE4129144A1 - Zirconiumoxid-molybdaen-disilicid-zusammensetzung - Google Patents
Zirconiumoxid-molybdaen-disilicid-zusammensetzungInfo
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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-m0,5 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.
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.
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 (8)
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.
Applications Claiming Priority (1)
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US07/575,913 US5063182A (en) | 1990-08-31 | 1990-08-31 | Zirconia-molybdenum disilicide composites |
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