Polikrystaliczne tworzywo cyrkoniowe modyfikowane wtrąceniami TiC syntezowanymi in situ

Reakcję pomiędzy węglem i tlenkiem tytanu znajdującym się w roztworze stałym z ZrO2 wykorzystano do wytworzenia wtrąceń TiC in situ w gęstym materiale cyrkoniowym. W badaniach posłużono się proszkiem o składzie 1,5% mol. Y2O3 -18% mol. TiOi - 80,5% mol. ZrO2 lub jego mieszaniną z żywicą fenolowo-formaldehydową. Wypraski spiekano swobodnie przez 2 godz. w temperaturach z zakresu 1000+1500°C w argonie. Powierzchnie próbek nawęglano, stosując w trakcie spiekania zasypkę z sadzy. Proces tworzenia TiC, związany z konsumpcją wakancji tlenowych, prowadził do destabilizacji roztworu stałego dwutlenku cyrkonu. W wyniku tego jego regularna postać przemieniała się w odmianę o symetrii tetragonalnej, która z kolei przemieniała się podczas studzenia w odmianę o symetrii jednoskośnej. TiC tworzący się in situ był fazą niestechiometryczną, zawierającą prawdopodobnie tlen w swojej strukturze. Występował w postaci wtrąceń między- i wewnątrzziarnowych o rozmiarze od nano- do mikrometrycznego i morfologii zależnej od warunków preparatyki. Tworzenie się TiC zredukowało rozmiar ziaren osnowy cyrkoniowej i przyczyniło się do poprawy właściwości mechanicznych tworzywa cyrkoniowego. Nawęglanie zastosowane w trakcie spiekania doprowadziło do utworzenia powierzchniowej warstwy wzbogaconej we wtrącenia TiC i dlatego podwyższonej twardości. Węgiel wprowadzony do układu przed spiekaniem był czynnikiem wpływającym na grubość warstwy. Temperatura 1000°C jest najniższą temperaturą, w której występuje reakcja tworzenia się TiC in situ. Na powierzchniach próbek spiekanych w 1500°C wykryto ZrC.

---

The reaction between carbon and titanium originated from zirconia s.s. was used to produce TiC inclusions in situ in zirconia dense materials. The co-precipitated powder composed of 1.5 mol% Y2O3, 18 mol% TiO2 and 80.5 mol% ZrO2 and its mixture with phenol-formaldehyde resin was used. The cold pressed green bodies were pressurelessly sintered for 2 hrs at the temperatures ranging from 1000 to 1500°C in argon. A carbon bed was used to carburise surface of the bodies during sintering. The formation of TiC led to destabilisation of the zirconia solid solution due to the oxygen vacancy consumption. As a result, the cubic form of the zirconia solid solution transformed to the tetragonal one, which further transformed to the monoclinic form during cooling. TiC formed in situ was the nonstoichiomelric phase which contained most probably oxygen in its structure. It appeared as inter- and intragranular inclusions in the zirconia solid solution matrix. A size of the TiC inclusion ranged from nano- to micrometric depending on the preparation conditions. The TiC formation reduced a size of the zirconia solid solution grains and improved mechanical properties of the zirconia material. Carburising of the green body during sintering led to the formation of the layer with an increased TiC concentration and therefore increased hardness. Carbon introduced to the system before sintering controlled the layer thickness. A temperature of 1000°C has been found to be the lowest at which the TiC formation proceeded. The samples heated at 1500°C showed the presence of ZrC in their surface.