SE1050289A1 - En funktionell gradientmaterialkomponent och metod för att producera en sådan komponent - Google Patents

Description

62726

[0004] Genom hela FGM-materíalet förändras ocksä brottsuppträdandet frän en duktil till en spröd struktur med en gradvis variation av matrisen frän duktil metallfas till spröd keramfas. Vid nedsvalning av ett FGM med en linjär sammansättningsprofil är de vanligt förekommande termiska spänningarna, vilka uppkommer pä grund av skillnader i termiska expansionsegenskaper, uppdelade i radiella spänningar (parallella till gränsytorna) och axiella spänningar genom komponentens tjocklek (normala till gränsytorna). Om otkeram < otmetall, där a är den termiska expansionskoefficienten, blir spänningarna i planet dragspänningar i metallen i bottenlagret och tryckspänningar i keramen i topplagret. I motsats till detta, blir de axie||a spänningarna tryckspänningari metallregionen och dragspänningar på keramsidan. Materialet i de metallrika och sammanvävda områdena kan motstå de inbyggda termiska spänningarna genom en plastisk deformationsmekanism. Keramer är dock spröda och spänningskänsliga, så det keramrika området kommer att utgöra den kritiska delen och mikrosprickor kan utvecklas i matrisen om nivån av inbyggda dragspänningar överstiger böjstyvheten.

[0005] Storleksordningen av de inbyggda spänningar som finns i ett FGM beror pä utsträckningen av termiska spänningar som uppstär bäde pä en mikrostrukturnivä (mellan partiklarna i matrisen) och pä en makrostrukturnivä (i grönsytorna mellan angränsande lager) under avsvalning, vilket beskrivs av följande grundläggande ekvation: a = E Aa AT (l) där aär den inbyggda termiska spänningen (MPa), E är Youngs modul (MPa), Aon skillnaden i termisk expansionskoefficient (/°C), och AT är skillnaden mellan sintringstemperatur och rumstemperatur (°C). 62726

[0006] Enligt Ekv. l är den bästa lösningen för att minska de inbyggda termiska spänningarna, a, att minimera skillnaden i termisk expansionskoefficient, Aa, samt sintringstemperaturen, medan den mekaniska segheten hos matrisen ökas, särskilt i det sammansättningsområde där maxima| spänning uppstår.

[0007] FGM-material kan tillverkas med hjälp av olika tekniker, så som konventionella pulvermetallurgiprocesser, ångdeponering och sintringstekniker.

Spark plasma sintering (SPS), också benämnd exempelvis Field assisted sintering technique (FAST), år en kraftfull sintringsteknik vilken möiliggör mycket snabb upphettning under högt mekaniskt tryck. Denna process, härefter benämnd SPS, har visat sig vara mycket väl lämpad för produktion av funktionella gradientmaterial.

Utan att härröra till någon särskild teori, är den allmänna åsikten att den mycket snabba uppvärmningen förbättrar de intra-partikulära bindningarna och densifieringen, medan risken för oönskade reaktioner i materialet minskar. Andra fördelar är att behovet av bindemedel i pulverblandningarna försvinner och krympningen av materialen under sintringen sker kontrollerat. Dessutom gör möjligheten av snabbt ändra temperatur och tryck det enklare att skräddarsy mikrostrukturen hos materialet och att optimera sintringsparametrarna jämfört med konventionella tekniker.

[0008] Patentet US7393559B2 beskriver framställningen av en FGM-kropp av slutgiltig form med FAST/SPS, där kroppen består av två olika material vilka är en metall eller metallegering i kombination med en keram så som en oxid, nitrid eller karbid, eller en annan metall eller metallegering.

[0009] Rostfritt stål av typen 3 l 6 (SUS3 l 6] är ett austenitiskt rostfritt stål baserat på krom, nickel och molybden. SUS3 l 6L är en liknande legering med extra lågt innehåll av kol. Dessa är viktiga tekniska legeringar tack vare hög styrka vid höga temperaturer och högt motstånd mot korrosion. Aluminiumoxidkeramer [Al203) har utmärkta högtemperatur- och korrosionsmotstånd samt hög hårdhet. Att 62726 4 sammanfoga SUS316L med Al203 ör av stort intresse i strukturkomponenter eller former i termiska och nötningstöliga tillömpningar.

[OOO10] Den termiska expansionskoefficienten för A|2O3 (ormzoš, z 6 >< 10"6/°C) ör mycket lögre ön den för SUS316L (ocSU5316L w 18 >< 10"6/°C). En stor skillnad i termisk expansionskoefficient ger upphov till komplexa termiska spänningar i den gemensamma grönsytan under nedsvalningen frön tillverkningstemperaturen. En stor skillnad i termisk expansionskoefficient ör, av en fackman, ansedd att vara i omradet frön ungeför 7 x 104” /C° till ungeför 10 x 106 /C°, vilket definierats i exempelvis patentet WO 2007/144731A1. Dessa spönningar kan orsaka olika sorters materialdefekter sö som sprickor i den keramiska delen, plastisk deformation i metallen och/eller lossning pö grund av sprickbildning mellan grönsytorna.

[OOO1 1] Framställningen av ett funktionellt gradientmaterial av det specifika systemet rostfritt stöl/aluminiumoxid har teoretiskt studerats av M. Gruiicic et al. i ”Optimization of 316 Stainless Steel / Alumina Functionally Graded Materials for Reduction of Damage lnduced by Thermal Residual Stresses", Materials Science and Engineering A, 252, 1998, 1 17-132.

[OOO12] Trots att böde den plastiska deformationen i de SUS316-rika lagren och lossningen i grönsskikten kan minimeras reiölt genom införande av optimerade gradientlager av kompositmaterial mellan ytskikten, kan uppkomsten av sprickor i Al2O3 och de Al2O3-rika lagren inte undvikas. Det största problemet ör att nivöerna pö de beröknade inbyggda dragspönningarna i de virtuella FGM-komponenterna ligger sö nöra intervallet för böistyvhet hos den töta AL2O3 keramen (250-275 MPa). Det finns dörför fortfarande ett behov för en metod a framstölla rostfritt stöl / aluminiumoxid-FGM fria frön sprickor. 62726 Sammanfattning av uppfinninqen

[00013] Ett ändamål med föreliggande uppfinning är att skapa ett funktionellt gradientmaterial, enligt anspråket i krav l, företrädesvis en sprickfri funktionellgradientmaterialkomponent. Ett annat ändamål med uppfinningen är att skapa en metod för att framställa en sprickfri funktionellgradientmaterialkomponent, enligt anspråket i krav 18.

[00014] Termen komponent ska tolkas så som en komponent med vilken form som helst och vilken är möjlig att framställa med FGM-konceptet, till exempel en detalj i form av en cylinder, sfär, ring, polygon eller kon. Andra typer av former är också möjliga.

[00015] l den funktionella gradientmaterialkomponenten enligt krav l, är ett första material sammanfogat med ett andra material genom sintring. Nämnt första material har en första termisk expansionskoefficient och nämnda andra material har en andra termisk expansionskoefficient, vilken skiljer sig från den första termiska expansionskoefficienten. Uppfinningen kännetecknas av att komponenten även innefattar ett tredje material, anpassat för att skapa en mellanliggande kompositmaterialfas mellan nämnda första och andra material. Nämnda tredje material har en termisk expansionskoefficient som ligger mellan den första termiska expansionskoefficienten för det första materialet och den andra termiska expansionskoefficienten för det andra materialet.

[OOOló] Skillnaden i termisk expansionskoefficient mellan de första och andra materialen är stor, företrädesvis upp till 12 x 106 /°C.

[00017] Genom att blanda i ett tredje material, med en mellanliggande termisk expansionskoefficient, i de första och andra materialen, minimeras den plastiska deformationen i det första materialet samt lossningen på grund av sprickbildning mellan gränsytorna rejält. Volymen av det tredje materialet reducerar volymen av 62726 det andra materialet och kan bidra till interna restriktioner vilka markant minskar storleksordningen av krympningen under nedsvalningen. Det tredje materialet fungerar ocksä som ett tufft blockerande material som kan förstärka det andra materialet och hämma uppkomsten av termiskt inducerade mikrosprickor.

[OOOI 8] I en föredragen utföringsform av uppfinningen sintrar de första, andra och tredje materialen vid ungefär samma sintringstemperatur, eller sä sintrar de vid ungefär samma inställningar av utrustningen.

[00019] Genom att använda material med ungefär samma sintringstemperaturer förenklas sintringsprocessen och en traditionell, vanligtvis cylindrisk, sintringsform, hädanefter benämnd dysa, kan användas till sintringen. Om en ickecylindrisk dysa med olika diametrar vid olika positioner, sä som en konisk dysa, används är det möjligt att använda materia| med sintringstemperaturer som skiljer sig upp till 300 °C, och fortfarande använda en och samma inställning av utrustningen.

[00020] I en utföringsform av uppfinningen har ätminstone ett av materialen en kornstorlek av sä liten dimension, jämfört med standardpulver av mikrometerstorlek, att sintringstemperaturen päverkas. Företrädesvis används pulver av nanostorlek för ätminstone ett av materialen.

[OOO2I] Genom att använda ett pulver med liten kornstorlek underlättas síntring vid en lägre sintringstemperatur. Genom att välja olika kornstorlekar hos de olika materialen kan deras sintringstemperaturer optimeras i relation till varandra för att ytterligare förenkla sintringsprocessen.

[00022] I en föredragen utföringsform är det första materialet en metall eller metallegering och det andra materialet företrädesvis ett keramiskt material, men kan ocksä vara en metall eller metallegering. 62726

[00023] En metall eller metallegering har den höga seghet, höga styrka och bearbetningsmöjlighet som ör önskvärd för ett funktionellt gradientmaterial och ett keramiskt material har den vörme-, nötnings- och oxidationstölighet som önskas av samma material.

[00024] l en annan föredragen utföringsform ör det första materialet ett av materialen rostfritt stöl, nickel, en nickellegering eller en kopparlegering och det andra materialet ör ett keramiskt material. Företrödesvis ör det första materialet ett av materialen rostfritt stöl SUS 3ló / 3 l óL, SUS 304 /304L, SUS 310 / 3l0S, SUS 405, SUS 420, Duplex rostfritt stöl 2205, nickel, en nickellegering eller en kopparlegering och det andra materialet aluminiumoxid.

[00025] I en annan föredragen utföringsform ör det tredje materialet ett metalliskt eller ett keramiskt additiv, företrädesvis valt bland materialen zirkoniumoxid, krom, platina eller titan.

[00026] l krav lO beskrivs en metod för att framstölla det funktionella gradientmaterialet. Metoden karakteriseras av att produktionsmetoden ör spark plasma sintring (SPS).

[00027] Genom att anvönda sig av spark plasma sintring ör det möjligt att snabbt öndra temperatur och tryck, och dörigenom göra det enklare att skröddarsy mikrostrukturen hos materialet och att optimera sintringsbetingelserna.

[O0O28] Krav l l beskriver en innovativ metod för att framstölla ett FGM med en yta som bestör av upp till l00% av ett första material och en andra yta som består av upp till 100% av ett andra material. Metoden inbegriper de följande stegen: val av det första materialet och det andra materialet med en första och en andra termisk expansionskoefficient vilka skiljer sig frön varandra, (ii) tillsats av en bestömd möngd av ett tredje material med en mellanliggande termisk expansionskoefficient vilket blandas med det första och andra materialet och skapar 62726 en mellanliggande fas vilket innefattar uppfinningen av denna funktionella gradientmaterialkomponent, (iii) tillsats av åtminstone ett mellanlager av materialet för den mellanliggande fasen mellan den första ytan och den andra ytan, vilket ger ett mellanliggande kompositområde av gradientkaraktär, och (iv) sintring av hela strukturen genom att använda tekniken spark plasma sintring (SPS).

[00029] Genom att till ett första, segt, material och ett andra, nötningståligt material blanda i ett tredje material med andra egenskaper framställs, genom metoden ovan, ett sprickfritt FGM där det blivit möjligt att sammanfoga material med stor skillnad i de termiska expansionskoeffícienterna.

[00030] I en annan utföringsform enligt metoden har det mellanliggande kompositomrädet i gradientform flera mellanlager som huvudsakligen består av olika blandningar av de första, andra och tredje materialen.

[00031] I denna utföringsform består det mellanliggande kompositområdet i gradientform av flera kompositlager, företrädesvis placerade lager för lager i dysan, där en gradvis variation i mikrostruktur med sammansättningsförändring uppstår. Matrisen ersätts gradvis från det ena till det andra materialet. Denna gradient i sammansättning-mikrostruktur-egenskaper längs detta FGM är nyckeln till dess stabilitet och prestanda.

[00032] I en annan utföringsform tillsätts de tre materialen kontinuerligt till en dysa i vilken materialen sintras, vilket ger åtminstone ett mellanlager med gradvis variation i sammansättning, jämnt eller stegvis, genom FGM-komponenten som består av olika blandningar av de första, andra och tredje materialen.

[00033] I denna utföringsform tillsätts de fina pulverkornen av de tre materialen kontinuerligt till dysan de ska sintras i för att forma en komponent, istället för att förpreparerade mellanlager av en blandning av första, andra och tredje materialet används. Företrädesvis kontrolleras mängden tillsatt pulver av varje material 62726 9 automatiskt eller manuellt för att skapa optimal gradvis variation av mikrostrukturen i det enda mellanlager som formar komponenten.

[00034] I en föredragen utföringsform bestäms sammansöttningarna i hela mellanlagret eller me||an|agren genom användandet av en ekvation dör den lokala volymsandelen av det första materialet, Vi, i varje mellanlager beräknas enligt följande: vi = [1 - (ti-Jil <2) Dör i ör numret på mellanlagret, n ör det totala antalet mellanlager, och P ör en materialkoncentrationsexponent.

[00035] I önnu en utföringsform tillsötts det tredje materialet i åtminstone ett av me||an|agren som en sörskild volymsandel av det andra materialet. Om fler ön nio mellanlager anvönds, företrödesvis mellan 15 och 25, mer specifikt 19, varierar innehållet av det första materialet linjört genom gradientmellanlagren med ungeförligen 5 volymprocent per mellanlager och det tredje materialet tillsötts som en förstörkande fas i en andel av omkring 45 volymprocent av det andra materialet.

[00036] Genom att anvönda den ovan nömnda metoden för att bestömma sammansättningen genom hela mellanlagret eller me||an|agren, optimeras egenskaperna hos FGM-komponenten.

[00037] I en föredragen utföringsform sker sintringen vid en temperatur på i000-i 200 °C, företrödesvis i i00 °C, under ett tryck på 50-100 MPa, företrödesvis 75 MPa, vid en hålltid på 10-40 min, företrödesvis 20-30 min, med spark plasma sintring.

[00038] De ovan nömnda parametrarna ör en föredragen utföringsform. Det ör dock sjölvklart att temperaturområdet kan utökas om det första materialet öndras 62726 10 frön rostfritt stöl till nickel eller krom. Dessutom kan hölltiden kortas ner om trycket ör hög re.

[00039] I en utföringsform innefattar det åtminstone ena mellanlagret ett första material som ör en metall eller en metallegering, ett stärkande additiv och en keram, vilket bildar en trefaskomposit. Företrödesvis består kompositlagren i mellanskiktet av ett första material som ör en metall eller metallegering, valda frön rostfritt stöl SUS 3ló / 3lól., SUS 304 /304|_, SUS 3l0 / 3l0S, SUS 405, SUS 420, Duplex rostfritt stöl 2205, nickel, en nickellegering eller en kopparlegering, ett andra material som ör en keram, vald frön aluminiumoxid, molybdendisilicid, volframkarbid, och ett tredje material som en tillsats för en störkande fas, vald från zirkoniumoxid(3Y), krom, platina eller titan.

Brief description of drawinqs

[00040] Uppfinningen beskrivs nu, genom exempel, med hönvisning till de medföljande figurerna, i vilka: Fig. l visar ett diagram över Youngs modul presenterad mot den liniöra termiska expansionskoefficienten, Fig. 2 visar en schematisk bild av FGM-geometrin, Fig. 3 visar optiska mikroskopibilder (övre del) och motsvarande schematiska marfalagier (nedre del) av: (a) en kampasifmellanlager med sammansättningen 30 vol%SUS3 l óL - 70 vol%A|2O3, och (b) ett kompositmellanlager med sammansättningen 30 vol°/aSUS3l óL - 38.5 vo|°/eA|2O3 - 31.5 vo|%ZrO2(3Y) och Fig. 4 ör optiska fotografier som visar: (a) den töta FGM-komponenten, och (b) multilagerstrukturen. 62726 11 Beskrivninq av utförinqsformer

[00041] Uppfinningen kommer hör att beskrivas mer i detalj med avseende på utföringsformer och med avseende pö de medföljande figurerna. Alla exempel som följer ska ses som en del av den allmönna beskrivningen och ör dörför möjliga att kombinera på olika sött i generella termer. Individuella sördrag hos de olika utföringsformerna och metoderna kan kombineras eller utvöxlas om inte södan kombinering eller utväxling tydligt motsäger den övergripande funktionen hos den funktionella gradientmateríalkomponenten eller dess framstöllningsmetod

[00042] I figur l visas ett diagram dör Youngs modul E i GPa presenteras mot den liniöra termiska expansionskoefficienten a i lOó/°C, med konturer som visar exempel för de första Ml , andra M2 och tredie M3 materialen i den föredragna utföringsformen för denna uppfinning. I de föredragna utföringsformerna för denna uppfinning ör det första materialet Ml ett av rostfritt stöl Ml1, Ml 2, Ml3, Mló, nickel Ml4, eller en kopparlegering Ml5 och det andra materialet M2 ör företrädesvis ett keramiskt material, men kan i vissa fall vara en metall eller metallegering, en eller flera av aluminiumoxid M21, kiselkarbid M22, molybdendisilicíd M23, volframkarbid M2,,, eller molybden M25. Företrödesvis ör det första materialet ett av rostfritt stöl SUS3ló/3 l óL (Ml3), SUS304 (Ml 1), SUSBlO (Ml 2), nickel (MlÅ), eller en kopparlegering (Ml5) och det andra materialet aluminiumoxid (M21). Dessutom ör det tredje materialet M3 ett metalliskt eller keramiskt additiv M31, M32, M33, or M34, företrödesvis valt bland materialen zirkoniumoxid (M32), krom (M31), platina (M33) eller titan (M34).

[00043] Det ör völkönt inom omrödet att sintringsadditiv kan tillsöttas till det första och/eller andra materialet Ml, M2 för att förböttra egenskaperna. Möngden additiv kan vara ungeförligen upp till 10% av möngden av det första och/eller andra materialet. 62726 12

[00044] Uppfinningen hänför sig ocksä ti|| en metod för att framstäiia en sprickfri metoi/keram FGM-komponent i, som visas i figur 2. Mer specifikt hänför sig uppfinningen ti|| ett rostfritt stäi- / aiuminiumoxid-FGM, för högtemperatur- och nötningstäiiga tillämpningar. Den inbegriper de föiiande stegen: i) Utformning av en FGM-komponent i, se Fig. 2, där bottenytan e||er första ytan ia bestär av upp tiii i00% av det första materialet Mi, företrädesvis SUSB i óL (Mi3), toppiagret e||er den andra ytan ib bestär av upp ti|| i00% av det andra materiaiet Ai2O3 (M21), och det me||an|iggande gradientomrädet har f|era kompositmeiianiager m, n2,.., nn, viika tiiisammans utgör ett me||an|iggande gradientkompositomräde ic, som huvudsakligen bestär av en biandning av de första Mi, andra M2 och tredje M3 materíaien, företrädesvis SUSßióL (Mig), A|2O3 (M2,) och ett stärkande additiv. Det stärkande additivet kan ti|| exempei vara yttriumstabiiiserad zirkoniumoxid ZrO2(3Y) (M32). 2) Det A|2O3 (M21)-pu|ver som används som utgängsmateriai har hög renhet och en partikeistoriek med ett medeivärde omkring i00 nm. 3) sammansättningen genom heia FGM-komponentens meiianiager m, n2,.., nni det me||an|iggande gradientkompositomrädet ic bestäms genom användandet av en modifierad biandningsregei i form av en potensekvation där den iokaia voiymsandeien av rostfritt stäi, V,-,i varie meiianiager beräknas enligt föiiande: w= il-(åfi <2» där i är numret pä ett meiianiager, n är det totaia antaiet meiianiager, och P är en materiaikoncentrationsexponent viiken beskriver hur koncentrationen av metaiien gradvis förändras genom de n meiianiagren. Här väiis en iiniär 62726 13 sammansättningsprofil (P = 1) vilket ger en förändring i metallsammansättning på 5 vol% för varje mellanlager genom de 19 mellanlagren. 4) ZrOQIBYI (M32) tillsätts i alla kompositmellanlager nj, n2,.., nn i en särskild volymsandel av mängden AI2O3 (MQI). 5) Beståndsdelarna i varje kompositmellanlager vägs och blandas automatiskt eller manuellt, genom torr eller våt blandning, tills en homogen blandning har erhållits, och om nötvändigt torkas och siktas blandningen därefter. 6) Blandningarna till samtliga lager placeras i ordning, lager för lager, i ett sintringsverktyg som benämns dysa, företrädesvis gjord i grafit och av en cylindrisk form. Hela dysan förpressas sedan genom kallpressning under enaxligt tryck. 7) Sintringen sker genom tekniken spark plasma sintring (SPS).

[00045] Det är också möjligt att använda en annan metod för att framställa FGM-komponenten. I det fallet används inga förpreparerade mellanlager av blandningar mellan de första, andra och tredje materialen som är ilagda lager för lager. Istället tillsätts de fina pulvren av de tre materialen kontinuerligt till dysan i vilken de ska sintras för att forma en komponent. Sammansättningarna genom hela FGM-komponenten kan till exempel bestämmas genom att använda potensekvationen som beskriver den modifierade blandningslagen.

[00046] Kommersiellt tillgängligt AI2O3-puIver (M2j) av mikrometerstorlek eller strax därunder sintras vanligen i temperaturområdet I400° - I7OO °C. I detta fall är Al2O3 pulvret av hög renhet och fin partikelstorlek. Företrädesvis är kornstorleken av en så liten diameter, jämfört med konventionella pulver av mikrometerstorlek, att sintringstemperaturen påverkas. I den föreliggande uppfinningen är kornstorleken 62726 14 för M2-pulvret på nanoskala och partikelstorleken har ett medelvärde på ungefär 100 nm. Detta möjliggör sintring med SPS-metoden vid en sintringstemperatur så låg som l 100 °C.

[00047] Sintringen kan också utföras i en ickecylindrisk dysa eller provhållare, vilken har en större diameter vid den komponentyta med material med den lägsta sintringstemperaturen och vice versa. Detta möiliggör olika sintringstemperaturer för de tre olika materialen, men att sintringen fortfarande sker vid samma SPS- inställningar.

[00048] l den föreliggande uppfinningen anses användandet av ZrO2(3Y), som det tredje materialet M3, vara gynnsamt för att minska skillnaden i termisk expansionskoefficient mellan de olika mellanlagren och också för att förbättra styrkan hos matrisen, särskilt i den keramrika delen, eftersom materialet har en mellanliggande termisk expansionskoefficient (oczroz z 10 >< 1O"6/°C), hög böistyvhet (~ 900 MPa) and hög brottseghet (~ 13 MPaml/z).

[00049] Andra material, med en termisk expansionskoefficient 3 som ligger mellan termiska expansionskoefficienten l för det första materialet Ml och termiska expansionskoefficienten 2 för det andra materialet M2 kan också användas om materialet har en hög böistyvhet, betydligt högre än vad det andra materialet M2 har.

[00050] Al2O3 har låg böistyvhet (~ 250 MPa) och brottseghet (~ 4 MPaml/Q) och har därför svårigheter att överleva utan att defekter uppstår på grund av de inbyggda spänningarna som kan uppstå i materialsystemet SUS3ló / Al2O3-FGM under nedsvalning efter sintringen. I det keramrika området minskar ZrO2(3Y) volymsandelen Al2O3 och kan därigenom tillhandahålla interna restriktioner som markant minskar storleksordningen av krympningen under nedsvalning. ZrO2(3Y) 62726 15 fungerar också som ett tufft blockerande material vilket kan störka Al2O3-fasen och hömma initieringen av termiskt inducerade mikrosprickor.

[00051] Fig. 3 visar en jämförelse mellan mikrostrukturen hos: (a) en könd blandning av det första och andra materialet Ml , M2, mer specifikt 30%SUS3 l óL- 7O%Al2O3 och (b) den innovativa blandningen mellan de första, andra och tredje materialen Ml , M2, M3, mer specifikt ett kompositlager av 30%SUS3 l óL- 38.5%Al2O3-3 l .5%ZrO2(3Y). De svarta partiklarna ör korn av det första materialet Ml , mer specifikt SUSB l óL-korn, de vita områdena ör det andra materialet M2, mer specifikt AlzOa, och de grå områdena år det tredje materialet M3, mer specifikt ZrO¿,_(3Y). Det kan ses dör hur det tredje materialet ZrOzjßY) hindrar kontínuiteten av det andra materialet, AlzOs-matrisen, och formar ett förstörkande hinder i matrisen.

[OOO52] Uppfinningen tillhandahåller en ny metod för att tillverka ett sprickfritt funktionellt gradientmaterial enligt ovan, och enligt exempel inkluderade hör. FGM- materialet i den föreliggande uppfinningen innehöller två olika material Ml , M2 med stor skillnad i termisk expansionskoefficient.

Eiflaçí

[00053] En FGM-komponent som år cylindrisk till formen bestående av ett första material Ml , mer specifikt SUS3 l óL och ett andra material M2, mer specifikt Al2O3, framstölldes och visas i det optiska fotografiet i Figur 4, vilket visar: (a) den töta FGM-komponenten l med de olika materialen Ml, M2, M3, och (b) multilagerstrukturen som består av lager av olika blandningar av de första, andra och tredje materialen Ml-M2-M3. 2l olika pulverblandningar gjordes i ordning med följande sammansöttningar: Tabell l 62726 16 Lager Vo|% M1- SUS316L Vo|% M2- A|2O3 Vo|% M3- ZrO2(3Y) 1 100.0 0.0 0.0 2 95.0 2.7 2.2 3 90.0 5.5 4.5 4 85.0 8.3 6.8 5 80.0 10.9 8.9 6 75.0 13.7 11.2 7 70.0 16.5 13.5 8 65.0 19.3 15.8 9 60.0 22.0 18.0 10 55.0 24.7 20.2 11 50.0 27.5 22.5 12 45.0 30.2 24.7 13 40.0 33.0 27.0 14 35.0 35.8 29.3 15 30.0 38.5 31.5 16 25.0 41.3 33.8 17 20.0 44.0 36.0 18 15.0 46.7 38.2 19 10.0 49.5 40.5 62726 17 20 5.0 52.3 42.8 21 0.0 100.0 0.0

[00054] De 2) olika blandningarna tillreddes genom manuell blandning av de torra pu|vren av det första materialet Ml SUS3 i óL (Micro-Melt® typ 3 l 6L, D90 < 22 um, frän Carpenter Powder Products lnc, USA), Al2O3 (l 00 nm, TM-DAR Taimei Chemicals Co., Ltd., Japan) och/eller ZrO2(3Y) (typ TZ-3Y, Tosoh Corporation, Japan). Blandningarna tillsattes i ordning, lager för lager, till grafitdysan och dysan stängdes därefter av tvä grafitstavar, här benämnda punchar. FGM-provet sintrades i en SPS-enhet (SPS-SAC MK-Vl-system frän SPS Syntex Inc, Japan) och temperaturen höjdes initialt till ó00°C. Därefter användes en upphettningstemperatur av 100 °C min". Provet sintrades vid l l00 °C under 30 minuter. Temperaturen möttes genom att en optisk pyrometer var fokuserad pä ytan av sintringsdysan. Sintringen skedde under vakuum. SPS-trycket hölls konstant vid 75 MPa. FGM-komponenten framställdes som en cylinder med en diameter pä 20 mm och en höjd pä 22 mm.

[00055] Den täta FGM-komponenten och dess lager var fria frän sprickor, vilket visas i Figur 4 (a) och (b) respektive. Den relativa densíteten hos FGM-komponenten mättes med Archimedes metod till ~ 95% av det teoretiska värdet.

Claims (9)

KRAV

1. Funktionell gradientmaterialkomponent (1), där ett första material (M1) i form av en metall eller metallegering sammanfogas genom sintring med ett andra material (M2) i form av ett keramiskt material, en metall eller en metallegering, där nämnda första material (M1) har en första termisk expansionskoefficient ( 1) och nämnda andra materia) (M2) har en andra termisk expansionskoefficient ( 2), vilken skiljer sig frän den första termiska expansionskoefficienten, kännetecknat av att komponenten även innefattar ett tredje material (M3) i form av ett meta||iskt eller keramiskt additiv, anpassat för att skapa en mellanliggande kompositmaterialfas mellan det första och det andra materialet, nämnda tredje material (M3) har en termisk expansionskoefficient ( 3) som ligger mellan den första termiska expansionskoefficienten ( 1) av det första materialet (M1) och den andra termiska expansionskoefficienten ( 2) av det andra materialet (M2).

2. Funktionell gradientmaterialkomponent (1) enligt krav 1, där de första, andra och tredje materialen (M1, M2, M3) sintrar vid ungefär samma sintringstemperatur, eller där de första, andra och tredje materialen (M1, M2, M3) sintrar vid ungefär samma inställningar pä sintringsutrustningen.

3. Funktionell gradientmaterialkomponent (1) enligt krav 2, där åtminstone ett av materialen (M1, M2, M3) har en kornstorlek som är sä pass liten jämfört med standardpulver av mikrometerstorlek att sintringstemperaturen för materialet päverkas.

4. Funktionell gradíentmaterialkomponent (1) enligt krav 3, där ett pulver av nanometerstorlek används i ätminstone ett av materialet (M1, M2, M3).

5. Funktionell gradientmaterialkomponent (1) enligt nägot av ovanstående krav där det första materialet (M1) är rostfritt stäl, nickel, en nickellegering eller en kopparlegering och det andra materialet (M2) är ett keramiskt material. ó.

Funktionell gradientmaterialkomponent (l) enligt något av ovanstående krav, dör det första materialet (Ml) ör rostfritt stål SUS 3l 6 / 3lóL, SUS 304 /304L, SUS 3l0 / 3l0S, SUS 405, SUS 420, Duplex rostfritt stål 2205, nickel, en nickellegering eller en kopparlegering och det andra materialet (M2) år aluminiumoxid.

7. Funktionell gradientmaterialkomponent (l) enligt något av ovanstående krav, dör det tredje materialet (M3) ör ett metalliskt eller keramiskt additiv valt bland något av materialen yttriumstabiliserad zirkoniumoxíd ZrO2(3Y), krom, platina eller titan.

8. Metod för att framstölla en funktionell gradientmaterialkomponent (l) enligt krav l-7, dör framstöllningsmetoden ör spark plasma sintring (SPS).

9. Metod för att framstölla en FGM-komponent (l) med en yta (la) bestående av upp till l00% av ett första material (Ml) i form av en metall eller metallegering och en andra yta (l b) bestående av upp till l00% av ett andra material (M2) i form av ett keramiskt material, en metall eller en metallegering, som innefattar stegen: val av det första materialet (Ml) och det andra materialet (M2) med en första och en andra termisk expansionskoefficient ( l, 2) vilka skiljer sig från varandra, (ii) tillsats av en bestömd möngd av ett tredje material (M3) i form av ett meta||ískt eller keramiskt additiv med en mellanliggande termisk expansionskoefficient ( 3), vilken blandas med de första och andra materialen (Ml , M2) och skapar ett mellanliggande område vilket innefattar det innovativa funktionella gradientmaterialet enligt krav l-8, (iii) tillsats av åtminstone ett lager mellan den första ytan (la) och den andra ytan (l b) vilket skapar ett mellanliggande kompositområde av gradientkaraktör (l c), och (iv) sintring av hela strukturen (l) genom att anvönda spark plasma sintring (SPS). l0. Metod enligt krav 9, dör det mellanliggande kompositområdet av gradientkaraktör (l c) har flera mellanlager som huvudsakligen består av olika blandningar av de första, andra och tredje materialen (Ml , M2, M3). l l . Metod enligt krav 9, dör de första, andra och tredje materialen (Ml , M2 och M3) tillsötts kontinuerligt till dysan i vilken materialen sintras, vilket skapar åtminstone ett mellanlager med gradvis variation i sammansättning, jämnt eller stegvis, genom hela FGM-komponenten, bestående av olika blandningar av de första, andra och tredje materialen (Ml , M2 och M3). l2. Metod enligt krav l0 eller l l, där sammansättníngarna genom hela det åtminstone enda lagret bestäms genom användandet av en ekvation där den lokala volymandelen av det första materialet, Vi, i varje mellanlager beräknas enligt följande: vf= [1-(+J'l <2) där i är numret på mellanlagret, n är det totala antalet mellanlager, och P är en materialkoncentrationsexponent. l3. Metod enligt krav l2, där det tredje materialet (M3) tillsätts i åtminstone ett av kompositmellanlagren i en särskild del av volymandelen av det andra materialet (M2). l4. Metod enligt något av krav 8-l 3, där sintring sker vid en temperatur på l000-l200 °C, företrädesvis l l00 °C, under ett tryck på 50-l 00 MPa, företrädesvis 75 MPa, under en hålltid på l0-40 min, företrädesvis 20-30 min, med spark plasma sintering. l5. Metod enligt något av kraven 9-l4, där åtminstone ett av kompositmellanlagren innefattar ett tredje material (M3) som är ett metalliskt eller keramiskt förstärkande additiv. ló. Metod enligt krav l5, där åtminstone ett av kompositmellanlagren består av ett första material (Ml) av en metall eller metallegering, vald bland rostfritt stål SUS 3ló / 3lól., SUS 304 /304L, SUS 3l0 / 3lOS, SUS 405, SUS 420, Duplex rostfritt stål 2205, nickel, en nickellegering eller en kopparlegering, ett andra material (M2) av en keram, vald bland aluminiumoxid, molybdendisilicid eller volframkarbid, och ett tredje material (M3) av ett metalliskt eller keramiskt additiv, vald bland zirkoniumoxid(3Y), krom, platina eller titan.