Fluencia a alta temperatura de compuestos alúmina-circona

BOLETÍN DE LA SOCIEDAD ESPAÑOLA DE Ce ámica y Vid io ARTICULO ••• Fluencia a al a empe a u a de compues os alúmína-cí cona J. M. CALDERÓN MORENO, A. RAMIREZ DE ARELLANO LOPEZ y A.DOMINGUEZ RODRÍGUEZ Dp o. de Fis. de la Ma . Condensada. Ins i u o de Ciencia de Ma e iales. Uni e sidad de Se illa-CSIC. 41080 Se illa Se ha es udiado la mic oes uc u a y la espues a mecánica en comp esión a al a empe a u a de dos ce ámicos de alúmina e o zada con ci cona (ZTA), ab icados median e mezcla de pol os y median e sol-gel con p ecu so es de ci cona, pa a de e mina la in luen- cia del p ocesado. Las p ime as p esen an g andes aglome ados de pa ículas de ci cona y mayo amaño de g ano de alúmina, mien- as que el ma e ial ab icado a pa i de p ecu so es p esen a una mic oes uc u a más homogénea. Se han ealizado ensayos en com- p esión a empe a u as en e 1300 y 1450 °C, ensiones desde 20 a 600 MPa, y elocidad de de o mación de 2 x 10'^ s'^, encon ando ac u a ágil a T < 1400 °C , y compo amien o plás ico es aciona io a T > 1400 °C pa a ambos ipos de mic oes uc u a. Palab as cla e: alúmina, ci cona, compues o ce ámico, ZTA, luencia. High empe a u e c eep o alumina-zi cona composi es Mic os uc u e and high empe a u e comp essi e c eep o w^o ci cona oughened alumina (ZTA) ce amics, ab ica ed by pow^de p ocessing and sol-gel p ecu so s p ocessing, has been s udied, in o de o de e mine he in luence o p ocessing. Fo he samples ab ica ed om powde s, he mic os uc u e is less homogeneous, wi h la ge agglome a- es o ci cona, and g ea e alumina g ain sizes. Comp essi e es s a empe a u es be ween 1300 °C and 1400 °C, s esses be ween 20 and 600 MPa, a an s ain a e o 2 x 10"^ s"^ ha e been ca ied ou . B i le ac u e beha io was ound o bo h ma e ials below 1400 °C, and s a iona y plas ic de o ma ion abo e his empe a u e. Key wo ds: alumina, ci cona, ce amic composi es, ZTA, c eep. INTRODUCCIÓN Hay disponibles en la li e a u a di e sos esul ados sob e las p opiedades mecánicas de alúmina e o zada con ci cona (ZTA) (1-3). Todos ellos mues an una ue e dependencia de la acción de olumen de cada componen e, la p opo ción en e ci cona e agonal y ci cona monoclínica, así como del amaño de g ano (TG) de la ci cona. G een, Hannick y Swain (4) eco- gen la mayo ía de es os esul ados. Los es udios sob e la ac- u a en ZTA han mos ado un inc emen o en el Kj^. (has a 10 MPam^ /2) , con con enidos c ecien es de ci cona, en pa icula pa a pequeños amaños de g ano (< 1 pm) (5). Es os au o es conside an que el inc emen o o al en la ena- cidad de ac u a es una combinación la ans o mación ma - ensí ica de la ci cona y la mic o isu ación. La p ime a sólo es posible si hay pa ículas de Z 02 e agonal ( -Z 02)p esen es, y la segunda ac úa si las pa ículas de ci cona en los bo des de g ano se ans o man a monoclínicas du an e el en iado as la sin e ización a al a empe a u a del ce ámico. En algunos casos, la mic o isu ación condujo a una educción de la esis- encia a la de o mación de la mues a, pa icula men e g a e pa a pa a al os po cen ajes y TG de ci cona (6). Pa a e i a de ec os, algunos in es igado es han some ido a p ensado en calien e (HIP) las mues as as sin e iza las (6), ob eniendo mejo es esis encias, en pa icula pa a -Z 02. Alguna mejo a en la ensión alcanzada en lexión se ha egis- ado pa a olúmenes de ci cona de has a el 10% (5). O os au o es han es udiado la esis encia as a aque é mico (7). Es e pa áme o su e una g an disminución si la mues a se calien a po encima de la empe a u a de ans o mación de la ci cona y luego se en ía po debajo de ella. En es e es udio, nues o obje i o es conoce los e ec os de la di e en e ab ica- ción de la mues a en la mic oes uc u a y en el compo a- mien o mecánico. TÉCNICAS EXPERIMENTALES A) Ma e ial Se ha es udiado la e olución de la mic oes uc u a de dos ZTA poHc is ales ce ámicos con 94.5 ol% de AI2O3 y S5 ol% de Z 02. En un caso, el p ocesado ue ealizado median e una mezcla en ase líquida de pol os pu os y dispe san es. La alu- mina se añadió en o ma de a-Al203 y el pol o de ci cona, de al a pu eza (99.995%), en la o ma monoclínica m-Z 02. La densi icación se ealizó, as el secado, po comp esión uniaxial en calien e, a 1600 °C, alcanzando la densidad eó ica. Es e ipo de ma e ial se á denominado pd-ZTA. En los o os ma e iales, el p ocesado se desa olló median e una écnica sol-gel usando una solución de AI2O3 y un p e- cu so de Z 02, pa a consegui un mejo mezclado de los componen es. T as la calcinación, amizado y secado, se apli- có la comp esión uniaxial en calien e a 1600 °C, ob eniendo mues as de densidad eó ica. Es e ma e ial se á denominado pc-ZTA. Bol. Soc. Esp. Ce ám. Vid io, 35 [5] 345-348 (1996) 345 J. M. CALDERÓN, A. RAMIREZ DE ARELLANO LOPEZ, A. DOMÍNGUEZ RODRIGUEZ B) Ensayos Mecánicos Se han ealizado ensayos mecánicos en comp esión en ai e sob e mues as de 3x3x5 mm, a elocidad de de o mación cons an e (CSR) de 1.7 xlO"^ s" . Las empe a u as a ia on desde 1300 a 1450 °C. Se eligió es e ango de alo es a pa i de esul adosde la li e a u a, con la in ención de de e mina la empe a u a a pa i de la cual cada ma e ial se de o ma siguiendo un egimen plás ico es aciona io. C) Obse aciones Mic oes uc u ales Supe icies pulidas de mues as de o madas y sin de o ma se obse a on en mic oscopía elec ónica de ba ido (MEB). Algunas ue on a acadas é micamen e en ai e a 1450 °C pa a e ela la mo ología de los g anos. Algunos pa áme os mic o- es uc u ales (dis ibución de la ci cona , TG, y o ma) ue on es udiados en un analizado de imágenes, sob e imágenes omadas en MEB, el TG se de e mino median e la exp esión TG = (A/TC)^/2, siendo A el a ea de cada g ano, pa a un nume o su icien e de g anos (> 500). MICROESTRUCTURA DE MUESTRAS NO DEFORMADAS A) ZTA p epa ada median e mezcla de pol os Los g anos de Z 02 es án homogéneamen e dis ibuidos a lo la go de la ma iz de AI2O3. Una imagen de la mic oes uc u- a puede obse a se en la Figu a 1. Un 20% de la acción de olumen o al de ci cona son pequeñas pa ículas (< 0.5 pm) y es án no malmen e empo adas en g andes g anos de alúmina, los g anos de alúmina ienen un amaño medio de 4.7 ± 0.7 pm. O o 60% de Z 02 son g anos en e 0.5 y 7 pm de diáme o. Es e 60% es á si uado en jun as de g ano y uniones iples. Finalmen e, el es an e 20% de Z 02 son la gos aglome ados (> 7 pm, con un amaño máximo de 38 pm ) si uados en e los g a- nos de AI2O3. Es os aglome ados ienen una o ma de len eja, con su sección máxima o ien ada en el plano pe pendicula al eje de comp esión en calien e del sin e izado. Algunos es udios han ecogido mic oes uc u as simila es (8,9). Las pa ículas pequeñas de Z 02 son no malmen e a a- padas du an e el c ecimien o de los g anos de alúmina en el p ocesado. Heue , Claussen, K i en y Rühle (10) obse a on que los g anos así a apados, con un amaño de g ano meno de 0.5 pm, son en su mayo ía e agonales, y es muy imp oba- ble que se ans o men a monoclínicas den o de una ma iz ígida, como la AI2O3 (11), mien as que los g anos más g an- des, usualmen e si uados en las on e as de g ano, son p inci- palmen e monoclínicos. Cuando la dispe sión de la ci cona en la ma iz no es su icien emen e bueno, las pa ículas monoclí- nicas pueden aglome a se, y o ma las pa ículas g andes obse adas en es e y o os es udios (12). La p esencia de la Z 02 monoclínica p omue e una pob e esis encia al a aque é mico. Es e compo amien o es debido a la ans o mación ma ensí ica. Cuando se calien a du an e el sin e izado, a aque é mico o ensayo mecánico, las pa ículas monoclínicas se ans o man en e agonales. Cuando se en ian, uel en a se monoclínicas, c eando g ie as, pa icu- la men e al ededo de las pa ículas g andes mencionadas p e- iamen e. Va ios abajos de G een en a izan es a obse ación (7,13). En la Figu a 2, omada sob e una supe icie pulida y a acada é micamen e, es ácil obse a la o mación de g ie as en e las pa ículas de Z 02, en especial en e los aglome ados de mayo amaño.Todas las obse aciones con i man la ac i idad de la ans o ma ion ma ensí ica du an e, en gene al, cual- quie ciclado é mico po encima de la empe a u a de ans- o mación. B) ZTA p epa ada con p ecu so es En es as mues as, las pa ículas de Z 02 es án ambién uni- o memen e dis ibuidas en la ma iz. Sin emba go, se obse a al compa a la con la de pd-ZTA una dis ibución de TG de ci - cona mucho más concen ada: un 95% del núme o o al de pa ículas ienen un TG más pequeño de 1 pm, la mayo ía ocluidas o embebidas en g anos de AI2O3, con un TG medio de 2.6±0.3 pm. En la Figu a 3 se obse a una imagen en MEB del ma e ial. Cuando las mues as ue on pulidas y a acadas é micamen- e pa a su análisis mic oes uc u al, no se obse ó a anca- mien o de g anos o isu ación as el ciclado é mico po enci- ma de la empe a u a de ans o mación. La ausencia de g an- Fig. 1: Mic og a ía en MEB del ma e ial pd-ZTA. Fig. 2: Mic og a ía en MEB del ma e ial pc-ZTA. 346 Bole ín de la Sociedad Española de Ce ámica y Vid io. Vol. 35 Num. 5 Sep iemb e-Oc ub e 1996 FLUENCIA A ALTA TEMPERATURA DE COMPUESTOS ALÚMINA-CIRCONA Fig. 3: G ie a causada po los aglome ados de ci cona as el ciclado é mico. 400 sod .| 20C ioq- —^—I—'—I—'—'—'—"—'—'—' A 4 ic W, '—'—•" >*Z AVCC=1.7x10-^s-^ ><^ 385IVPa -^— 1300QC ^— 1350<>C -e-- 1400^0 -^^^ 1450OC 231IVPa aa"::aDg3 D'^Doa—B-=—a—B— 95 MPa 51WPa -^- 5 6 DEFORMAaÓN(%) Fig. 4: Resul ados de ensayos a elocidad de de o mación cons an e en pd-ZTA a di e- en es empe a u as. 450, 400U •§ -T 1 T I • I ' ' ^ 1 ' ' • ' •^434| ÍPa' • pc-ZTA CSF^lTxlO"* S'^ 296 MPa en D D a D—e—a 157 MPa I 54IVPa Fig. 5: en es DEFORMACIÓN (%) Resul ados de ensayos a elocidad de de o mación cons an e en pc-ZTA a di e- empe a u as. des g anos monoclínicos de ci cona es esponsable de es a mejo mic oes uc u a. Los g anos de Z 02 son su icien emen- e pequeños, incluso si es án en las on e as de g ano, pa a man ene su es uc u a e agonal. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Pa a las elocidades de comp esión usadas, a T < 1400 °C ambos compues os su en ac u a ágil, as su i de o ma- ción elás ico-plás ica, pe o sin alcanza un es ado es aciona io de de o mación. Las mues as de pc-ZTA alcanzan ensiones ípicamen e más al as que las medidas pa a las mues as pd- ZTA. Pa a empe a u as mayo es que 1400 °C ambos ipos de mues a se de o man en égimen plás ico es aciona io. El paso de un égimen a o o puede obse a se cla amen e en las Fig.4 y 5, que ecogen ensayos mecánicos sob e ambos ma e iales. Se han analizado en o os abajos (14) los mecanismos de de o mación p esen es en el égimen plás ico pa a ambos ma e iales, así como la mic oes uc u a as la de o mación, en ellos se pone de mani ies o como los aglome ados de Z 02 ^^ los bo des de g ano ienen el e ec o nega i o de se o igen de daños, así como limi a la de o mación an es de la ac u a. Las mues as ab icadas usando la écnica de p ecu so es con ie- nen muy pocas de es as pa ículas, y las mues as se man ienen in ac as has a mayo es alo es de de o mación p e io a la ac- u a. Como se obse a en la Figu a 3, la p esencia de es os aglome ados causa una deg adación de la mic oes uc u a a al a empe a u a. La mejo dispe sión de la ci cona en la ma iz en pc-ZTA, e i ando la o mación de g andes pa ículas in e g anula es monoclínicas, conduce a un mejo compo amien o mecánico en al a empe a u a. En las mues as de pd-ZTA, que con ie- nen pa ículas más g andes de ci cona en las on e as de g ano, la conexión de las ca idades c eadas es más ácil po la mic o isu ación inhe en e p esen e en las mues as, y condu- ce a una limi ación en la de o mación o al posible an es de la ac u a ágil po c eación de mac og ie as, y ambién a la imposibilidad de medi es ados es aciona ios de de o mación po encima de una ensión c í ica a pa i de la cual la c ea- ción de daños es demasiado se e a. Po o o lado, en las mues as pc-ZTA, donde se ha medido una dis ibución más es echa de TG, con pa ículas más -Z 02 pequeñas, sólo se de ec an es ados es aciona ios, y no el égimen de c eación de daños. También hay ca idades en las mues as de o madas, pe o la meno mic o isu ación esul a en un mejo espues a mecánica. CONCLUSIONES La ansición al égimen de de o mación plás ica no depen- de del di e en e p ocesado de los dos ma e iales, con idén ica composición. La empe a u a en es e caso es la a iable unda- men al pa a es ablece el ango de de o mación plás ico. El ma e ial ZTA p ocesado a pa i de p ecu so es, con meno mic o isu ación, es un candida o mejo pa a las aplica- ciones en al a empe a u a que el ce ámico ZTA p ocesados a pa i de pol os, en los cuales se in oduce la mic o isu ación con la p esencia de g anos de ci cona monoclínicos. Es e abajo se ealizo den o del p oyec o MAT91-0978 CICYT del M. E.C. • Bole ín de la Sociedad Española de Ce ámica y Vid io. Vol. 35 Num. 5 Sep iemb e-Oc ub e 1996 347 J. M. CALDERÓN, A. RAMIREZ DE ARELLANO LOPEZ, A. DOMÍNGUEZ RODRIGUEZ REFERENCIAS 1. N.Claussen,»Mic os uc u al Design o Zi conia-Toughened Ce amics», on Science and Technology o Zi conia 11, Ad ances in Ce amics. Claussen N., Rühle M. & Heue A.H:, Eds. Ame ican Ce amic Socie y, Columbus, Ohio, pp 325,1984. 2. N.Claussen,»F ac u e Toughness o AI2O3 wi h an uns abilized Z 02 dispe - sed phase», J.Am.Ce am.Soc. 59, pp 49 (1976). 3. R.C.Ga ie,»Mic os uc u e and Pe o mance o an Alumina-Zi conia Tool- ki », J.Ma .Sci.Le ., 3, pp 315 (1984). 4. D.J.G een, R.H.J.Hannick, M.V.Swain, in T ans o ma ion Toughening o Ce amics, Ed. by CRC P ess, Boca Ra on, pp 157-192 (1989). 5. N.Claussen,J. S eeb, R.F.Pabs ,»E ec s o Induced Mic oc acking on F ac u e Toughness o Ce amics», Am.Ce am.Soc.Bull. 56, pp 559 (1977). 6. S.Ho i,M. 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I La ese a de ejempla es y los pedidos deben di igi se a: Sociedad Española de Ce ámica y Vid io. C a. de Valencia, Km. 24,300. 28500 A ganda del Rey (Mad id) ESCUELA DE LAS ARTES DEL VIDRIO Cu sos di igidos a a is as, c eado es y diseñado es in e esados en la u ilización del id io como ma e ial exp esi o Vi al^ Pâ e de Ve e, Fusing e mo o mado, Cho o de A ena, G abado al Acido, Talla, Res au ación La con oca o ia pa a las p uebas de selección end án luga el mes de diciemb e de 1996. Plazas limi adas Pa a más in o mación pueden llama a los elé onos: 490 28 86 y 490 16 56 Fundacó Cen e del Vid e de Ba celona. Ca e Com es de BelLlloc, 192. 08014 Ba celona 348 Bole ín de la Sociedad Española de Ce ámica y Vid io. Vol. 35 Num. 5 Sep iemb e-Oc ub e 1996