Development of sialons colloidally processed in aqueous medium

Abstract

Desenvolveu-se um novo método de processamento coloidal em meio aquoso para consolidar cerâmicos de α-Y-SiAlON, os quais foram sinterizados por prensagem isostática a quente (HIP) e por spark plasma sintering (SPS). Preparou-se com sucesso uma suspensão aquosa de pós precursores de YSiAlON (Si3N4, Al2O3, Y2O3 e AlN), temporariamente estável, usando Dolapix PC21 como dispersante, permitindo a fabricação de pós granulados pela técnica de aspersão-congelamento-liofilização e a consolidação de corpos em verde por enchimento por barbotina. Avaliou-se o efeito do excesso de oxigénio introduzido pelo processamento aquoso no desenvolvimento microestrutural e nas propriedades mecânicas. Os corpos de Y-SiAlON consolidados por enchimento por barbotina e sinterizados por HIP a 1800ºC apresentaram microestruturas e propriedades mecânicas similares a corpos consolidados por prensagem a seco. Estes materiais exibiram densificação completa, dureza Vickers máxima de 2003 e tenacidade à fractura (método SEVNB) máxima de 5.20 MPam1/2. Foi ainda possível estabelecer uma relação estreita entre o aumento do conteúdo em oxigénio das amostras sinterizadas e a diminuição da tenacidade à fractura. Na tentativa de melhorar a tenacidade à fractura dos materiais, procedeu-se à incorporação nas suspensões de sementes de Ca-α-SiAlON de geometria alongada produzidas por síntese por combustão, adicionadas como agentes de reforço. A síntese por combustão realizada em larga escala (cargas até 1 kg) não produziu efeitos negativos óbvios nos produtos da reacção. Investigara-se os efeitos da adição de 5 % em peso de sementes nas propriedades mecânicas e no desenvolvimento microestrutural de amostras densificadas por HIP. Em comparação com os materiais sem sementes, a tenacidade à fractura (método SEVNB) aumentou 13%, mas a dureza Vickers resultou 14,5% inferior. A sinterização por SPS permitiu obter densificação completa a temperaturas tão baixas como 1600ºC a partir dos pós granulados de Y-SiAlON sem a adição extra de Y2O3 para aumentar o teor de fase líquida. Os materiais sinterizados a 1700ºC e 1600ºC mostraram valores máximos de tenacidade à fractura de 4.36 e 4.20 MPam1/2 (método SEVNB), e de dureza Vickers de 2089 e 2084, respectivamente. Esta técnica de sinterização permitiu ainda obter corpos sinterizados translúcidos com uma transmitância máxima de 61% numa amostra de 2mm de espessura. Os corpos translúcidos apresentaram dureza Vickers de 2154 e tenacidade à fractura 3.74 MPam1/2 (método SEVNB).

A novel colloidal processing method in aqueous medium was developed to consolidate α-Y-SiAlON ceramics, for posterior densification by hot isostatic pressing (HIP) and spark plasma sintering (SPS). A temporarily stable aqueous slip of α-Y-SiAlON precursors powders (Si3N4, Al2O3, Y2O3 and AlN powders) using Dolapix PC21 as dispersant, was successfully prepared, enabling the fabrication of freeze granulated powders and the consolidation of the green bodies by slip casting. The role of the excess of oxygen introduced by the aqueous colloidal process on the microstructural development and mechanical properties of the sintered parts was investigated. The slip cast α-Y-SiAlONs HIPed at 1800ºC, are very similar with respect to microstructure and mechanical properties compared to the ones obtained by conventional dry pressing. Fully dense materials were achieved with a maximum Vickers Hardness of 2003 and a maximum fracture toughness measured by the SEVNB method of 5.20 MPam1/2. This study revealed a close relationship between the increase of the oxygen content in the bulk samples and the decrease of the fracture toughness. In an attempt to improve the fracture toughness of the SiAlON materials, powders consisting of one-dimensional rod-like micro-crystals of Ca-α-SiAlON which were prepared by combustion synthesis were added to the slips compositions as reinforcing agents. The combustion synthesis performed in large scale (up to 1 kg batch) did not show any obvious negative effect on reaction products. The effect of seeding on the mechanical properties and microstructural development of HIP sintered α-Y-SiAlONs was investigated. It has been shown that HIP sintered specimens with 5 wt.% added seeds exhibited superior (13%) fracture toughness, as measured by the SEVNB method, but lower (14.5%) Vickers Hardness in comparison to un-reinforced samples. Fully dense α-Y-SiAlONs could be obtained by SPS at temperatures as low as 1600ºC from the freeze granulated powders without any extra added liquid phase forming Y2O3. The SPS specimens sintered at 1700ºC and 1600ºC exhibited maximum fracture toughness values, as measured by SEVNB method, of 4.36 and 4.20 MPam1/2and Vickers Hardness values of 2089 and 2084, respectively. Furthermore, translucent Y-α-SiAlON ceramics could be prepared by spark plasma sintering at 1700ºC and 1800ºC, presenting a maximum transmittance of 61% for a 2 mm thickness specimen. The translucent specimen indicates a maximum Vickers Hardness of 2154 and maximum fracture toughness, measured by SEVNB method, of 3.74 MPam1/2.