Selected properties of ZrB₂ composites obtained by SPS method for parts of electro-erosion shaping machines *

STRESZCZENIE: Badano wpływ dodatku proszków węglika krzemu i węglika boru na właściwości kompozytów ceramicznych na bazie ZrB₂, stanowiących materiały UHTC (ultra high temperature ceramics). Próbki z polikrystalicznego dwuborku cyrkonu oraz kompozyty na osnowie z tej fazy z dodatkiem 2 i 10% wag. SiC oraz B₄C otrzymano na drodze spiekania wspomaganego ciśnieniowo, z użyciem metody SPS/FAST (spark plasma sintering/field assisted sintering technique) w temperaturze w zakresie 1800÷2000°C. Otrzymane kompozyty scharakteryzowano pod kątem składu fazowego, mikrostruktury, właściwości mechanicznych i odporności na pękanie. Materiały cechują się wysoką gęstością względną – w zakresie 97÷98%. Wykazano wyższą twardość oraz odporność na pękanie kompozytów o osnowie z dwuborku cyrkonu z dodatkiem faz ceramicznych, otrzymanych w temperaturze 1900°C.

SŁOWA KLUCZOWE: ceramika UHTC, odporność na pękanie, SPS/FAST

ABSTRACT: The effect of the addition of silicon carbide and boron carbide powders on the properties of ZrB₂ ceramic composites constituting UHTC materials (ultra high temperature ceramics) was investigated. Polycrystalline zirconium boride samples as well as matrix composites of this phase with addition of 2 and 10 wt.% SiC and B₄C were obtained by pressure-assisted sintering using SPS/FAST (spark plasma sintering/field assisted sintering technique) in the temperature range of 1800÷2000°C. Samples were characterized by X-ray diffraction, scanning electron microscopy, hardness and fracture toughness. The obtained materials are characterized by a high relative density in the range of 97÷98%. Higher hardness and fracture toughness were observed for the composite obtained in temperature 1900°C.

KEYWORDS: UHTC ceramics materials, fracture toughness, SPS/FAST

BIBLIOGRAFIA / BIBLIOGRAPHY:

• Fahrenholtz W.G., Hilmas G.E., Talmy I.G., Zaykoski J.A. “Refractory diborides of zirconium and hafnium”. J. Am. Ceram. Soc. 90 (2007): pp. 1347–1364.
• Ghosh D., Subhashy G. “Recent progress in Zr(Hf)B₂ based ultrahigh temperature ceramics”. Chapter 3.3: Handbook of Advanced Ceramics, pp. 267–299. http://dx.doi.org/10.1016/B978-0-12-385469-8.00016-2 385469-8.00016-2, 2013.
• Silvestroni L., Sciti D., Melandri C., Guicciardi S. “Tyranno SA3 fiber–ZrB₂ composites. Part II: Mechanical properties. Mater. Design. 65 (2015): pp. 1264–1273.
• Mallik M., Kailath A.J., Ray K.K., Mitra R. “Electrical and thermophysical properties of ZrB2 and HfB2 based composites”. J. Eur. Ceram. Soc. 32 (2012): pp. 2545–2555.
• Barbante P.F., Magin T.E. “Fundamentals of hypersonic flight – Properties of high temperature gases, Critical Technologies for Hypersonic Vehicle Development”, 2004.
• Richards W.L. “Finite-Element Analysis of a Mach-8 Flight Test Article Using Nonlinear Contact Elements”. Scientific and Technical Information Program, 1997.
• Wuchina E., Opila E., Opeka M., Fahrenholtz W., Talmy I. “UHTCs: ultra-high temperature ceramics materials for extreme environment applications”. The Electrochemical Society Interface. (2007): pp. 30–36.
• Fahrenholtz W.G., Hilmas G.E., Talmy I.G., Zaykoski J.A. “Refractory diborides of zirconium and hafnium”. J. Am. Ceram. Soc. 95 (2007): pp. 1347–1364.
• Neuman E.W., Hilmas G.E. “Mechanical properties of zirconium-diboride based UHTCs”. W.G. Fahrenholtz, E.J. Wuchina, W.E. Lee, Y. Zhou (eds.). Ultra-High Temperature Ceramics: Materials for Extreme Environment Applications. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 2014, pp. 167–196.
• Neuman E.W., Hilmas G.E., Fahrenholtz W.G. “Mechanical behavior of zirconium diboride-silicon carbide-boron carbide ceramics up to 2200°C”. J. Eur. Ceram. Soc. 35 (2015): pp. 463–476.
• Hebda M. „Spark Plasma Sintering – nowa technologia konsolidacji materiałów proszkowych”. Mechanika. Czasopismo Techniczne. Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej 6-M. 11 (2012).
• Niihara K., Morena R., Hasselman D.P. „Evaluation of Klc of brittle solids by the indentation method with low crack-to-indent ratios”. Journal of Materials Science Letters. 1 (1982): pp. 13–16. DOI:10.1007/BF00724706.

DOI: https://doi.org/10.17814/mechanik.2018.2.32