Fabriceringen av Al2O3/Täta Komposit för Tin Direkt från Rått Materiellt för Al2O3/Ti Pudrar Överenskommelser genom Att Använda N2 Kapsel-Fria Hiping och Deras Utvärdering

Syntes av täta sammansatt material med sammansättningarna av AlO₂₃ /TiN = 100/0 ~ 90/10 vol% har försökts direkt från AlO/₂₃(Ti, TiN_0.30) som är blandad, pudrar överenskommelser genom att använda kapsel-fritt N₂ hoat isostatic tränga (HIP). Fin Ti pudrar (mm för ~ 0,3 i diameter) med TiN_0.30 arrangerar gradvis var förberedd vid termisk upplösning av pre-krossade fina TiH₂ pudrar på °C 400 för 1 H i en dammsuga som följs av termisk behandling i N.₂ Därefter pudrar₂₃ AlO/(Ti,_0.30 TiN) som är blandade, överenskommelser med homogeneously skingrade (Ti, TiN_0.30) partiklar fabricerades och Höft-sintrades därefter. Under första arrangera av HIPing [1350/6 MPa °C/1 H], heltäckande/gasa (Ti, TiN) för reaktion_0.30 between, och N₂, som båda innehölls i i pudraöverenskommelserna, framkallades för att bilda TiN. Därefter efter de på varandra följande har understött, arrangera av HIPing [/196 MPa/2 H °C 1350], mest av sintrade komposit som består av AlO₂₃ och TiN, arrangerar gradvis nedde en högre släktingtäthet än 98.5% med stängda por, ändå enfria HIPing. Spridning av TiNpartiklar (0,30 mm för ~ 0,35) som precis bildas dämpat korntillväxten av AlO₂₃ under att sintra. Den Mekaniska rekvisitan, liksom böjande styrka (s_b), Vickers hårdhet (H_V), bryter toughness (K_IC), och annan rekvisita har utvärderats som en nöjd fungera av TiN.

Är utmärkt ha på sig motstånd, Som belägger med metall, avslöjer nitrides ofta önskvärd kombinerad rekvisita, liksom smältande temperaturer för kick, kickhårdhet, låg täthet, låg elektrisk resistivity som och kemisk stabilitet för kicken, därför, har de brett använts i halvledarebranscher. Bland belägga med metall nitrides, utmärkta uppföranden (TiN) för titanium nitrideshows, och den har varit ökande tilldragning intresserar, som en konstituent av komposit för breda applikationer, liksom klipp bearbetar, bearbetar att täcka, microelectronics1 och sol--kontrollerar filmar.

En radda skyler över brister på AlO-TiN som₂₃ sammansatt material har publicerats, och många av dem behandlade sintra av blandningar av AlO, ₂₃ och TiN pudrar [2-4]. Emellertid pudrar TiN kommersiellt - tillgängligt bestå av stora partiklar, därför att TiN inte kan krossas in i bot pudrar med en processaa konventionell malning tack vare dess utmärkta kickhårdhet. Därför resulterade tillägget av stora TiNpartilces till andra oorganiska material ofta i förminskning av original- mekanisk rekvisita, och en förbättring av kapaciteten av sammansatt material kan inte förväntas.

Though pudrar fin Ti krävs för att fördela en fin kornTiN in i matrisen för att fabricera täta TiN-tillfogade komposit med förbättrad mekanisk rekvisita, belägger med metall Ti kan inte krossas in i en fin partikel av konventionell klumpa ihop sig-malning som är processaa på grund av dess kickmedgörlighet. Å andra sidan anmäldes det att fin Ti pudrar kunde erhållas av den reductive reaktionen av belägger med metall oxider, till exempel som värmebehandlas under väten [5] eller NH₃ [6] av fina TiO₂. I den närvarande studien att synthesize fint belägga med metall Ti, bräckliga TiH₂ valdes, därför att denna sammansättning kan mekaniskt krossas. Ti pudrar med en diameter av submicron-mäter producerades, genom att värma pre-klumpa ihop sig-malde TiH₂ i en dammsuga och därefter under ett gasformigt grundämneatmosfär. AlO₂₃ /blandad Ti pudrar överenskommelser var den fabricerade kicken-effektiv, som denna botTiöverhet var jämnt utdelad i i AlOen₂₃. Och högtryckett gasformigt grundämne HIPing applicerades för att densify pudraöverenskommelserna genom att använda enfri metod som kunna kommer med ettval av formar och storleksanpassar av den sintrade överenskommelsen, utan pre-att sintra av gräsplan, förkroppsligar till nästan 92 en släktingtäthet för ~ 93% [1]. Detta kapsel-fria högtryck N₂ HIPing gör också det möjlighet som belägger med metall nitrides som ska bildas, även om detta belägger med metall inte kan nitrizeds under det normala N₂ pressar på höga temperaturer. Samtidig syntes av den titanium nitriden direkt från Ti och N₂ och att sintra och den mekaniska rekvisitan av de sintrade materialen beskrevs i förhållande med deras microstructures.

Start pudrar var TiH₂ (TSHT, AB för Osaka den Titanium TeknologiCo., Hyogo, Japan, partikel storleksanpassar av mm₂ för P-£ 45, renhet för ~ 99.98%). Detta bräckligt pudrar krossades med ett planetariskt klumpa ihop sig mal genom att använda SUSEN klumpa ihop sig (10 millimetrar i diameter) för 24 H på rotera rusar av 200 r/min. i Ar.

Fin a - AlO₂₃ pudrar (TM-DAR, mm för ~ 0,10 för AB, Nagano, Japan, för P_s för Taimei KemikalieCo., renhet för ~ 99.99%) och klumpa ihop sig-malde TiH₂ pudrar (mm_s P~0.3) och vägdes in i AlO₂₃ /(Ti, TiN_0.30) = 100/0~89.10/10,89 mass% och att anta att alla (Ti, TiN_0.30) som skulle omformar in i TiN, efter en anslåuppvärmning under kick N₂ har pressat och därefter in i sammansättningarna av AlO₂₃ /TiN = 100/0 ~ 90/10 vol%. Komposit pudrar var torr-blandad med en mortel och en pestle för 1 H i Ar. Därefter pudrar det blandat behandlades av termisk upplösning på °C 400 för 1 H i en dammsuga som följs av termisk behandling på 200°C för 1 H i N.₂ Efter termisk upplösning pudrar komposit var blandad fullständigt med ett planetariskt klumpa ihop sig mal genom att använda delvist stabiliserad zirconia (PSZ) klumpa ihop sig (1 millimeter i diameter) och methyl-alkohol för minut 10 på 700 r/min. (en centrifugalkraften om G för ~ 11). Därefter pudrar torkades i en dammsuga för H 6 och kyldes därefter i Ar. Detblandat pudrar pressades samman genom att använda en uniaxial form/dykare (13 millimetrar i diameter) på MPa 20 och därefter, densified av kallt isostatic tränga (CIP) på MPa 245. AlO₂₃ /(Ti, TiN_0.30) blandat pudrar överenskommelser Höft-behandlades. Täta AlO-₂₃ /TiNkomposit fabricerades av kapsel-fria N-HIPing₂ (°C 1350/6 Mpa/1 Mpa °C/196/2h för H +1350); dessa villkorar var beslutsamma från våra experimentella resultat för förberedande åtgärd.

Crystalline arrangerar gradvis av tar prov identifierades av X-ray diffraction (XRD)analys (CuKa₁ utstrålning med en grafitmonochromator, Rint 2200, Rigaku, Osaka, Japan). Bulk tätheter av sintrat tar prov mättes av den Archimedes metoden. Microstructureobservationen på bryta ytbehandlar av sintrat tar prov utfördes av microscopy för elektronen för denutsläpp typscanningen (FE-SEM, JSM-7001FD, JEOL Ltd., Tokyo, Japan), och deras genomsnittliga korn storleksanpassar var beslutsamt vid en fånga uppmetod [8]. Efter crystalline, arrangera gradvis ID, testar bommar för (~ 3×3.5×11 millimeter³) för mekanisk-egenskap mätningar klipptes från de sintrade materialen med ett diamantklipp-blad, och därefter polerades deras fyra sidor för att avspegla ytbehandlar med en diamantdeg (den nominella partikeln storleksanpassar mm 1-3).

Och tre-peka därefter den böjande styrkas_b utvärderades med etthuvud rusar av 0,5 mm/min, och 8 en mm-spänner över längd genom att använda WC-pimplar. Vickers hårdhetH_V och bryter toughness K_IC utvärderades med applicera laddar av N 19,6 och en varaktighetstid av 15 s för gamlan, och inryckningen bryter metod (OM) med Niiharas likställande för sistnämnden [9].

XRD mönstrar av TiH₂ pudrar efter klumpa ihop sig-malning (a), och (b) efter mättes dehydrogenation. Efter klumpa ihop sig-malning nå en höjdpunkt huvudsaklig XRD av TiH_1.924 (JCPDS#25-0983), och ett litet belopp av Ni-CR-Fe (JCPDS#35-0983) arrangerar gradvis observerades; sistnämnden arrangerar gradvis var impurities från den rostfria skytteln och klumpa ihop sig under malning. Dehydrogenation på °C 400 i en dammsuga för 1 H gav en blandning av Ti (JCPDS#44-1294) och TiN_0.30 (JCPDS#41-1352); entemperatur värmebehandling i N₂ resulterade i bildandet av TiN_0.30 med en mol förhållande av Ti-/TiN_0.30 ~ 4/6, beräknat från XRD-styrkor. Figurera shows 1 som SEM 2000 fotograferar för TiH₂ efter klumpa ihop sig-malning, och en blandning av Ti och TiN_0.30 , når den har dehydrogenating som avslöjer partikeln, storleksanpassar av båda tar prov av omkring 0,3 mm.

Figurera 1. SEM 2000 fotograferar för TiH₂ efter klumpa ihop sig-malning och ta prov som består av Ti och TiN, _0.30 når den har dehydrogenating.

Figurera 2. SEM 2000 fotograferar för bryta ytbehandlar av (a) ett blandat pudrar (AlO/₂₃(Ti, TiN_0.3)) kompakt och (b) pre-sintrad överenskommelse (1350 H för °C/6 MPa/1) med sammansättningen som motsvarar till AlO₂₃/TiN=90/10 vol%.

Bulk tätheter av blandat pudrar överenskommelser (_230.3AlO/Ti/TiN) ökande monotonously från 2,28 till 2,34 Mg/m³ med ökande (Ti/TiN_0.3) tillfredsställer. Omvänt ökade släktingtätheter som respektive beräknades från de teoretiska 4,715 Mgna/m för tätheter (3,987,³ 4,503 och)₂₃ av AlO (JCPDS#46-1212), Ti (JCPDS#44-1294)_0.3 och TiN (JCPDS#41-1352) och att anta, att förhållandet av Ti/_0.3 TiN var ~ 4/6, a lite från 57,2 till 57.8% (Fig. 2 (a)). Därefter pudrar de täta överenskommelser värmdes på °C 1350 under kickett gasformigt grundämne pressar av MPa 6 (1 H) och löpande följd MPa at196 (1 H), vid kapsel-fria N-HIPing₂.

Efter den 1^st HIPingen (°C 1350/6 M/1 H), tar prov correspong till sammansättningarna av AlO₂₃ /TiN = 100/0, 95/5, och 90/10 vol% utvärderades från Viewpointen; de crystalline arrangerar gradvis ändring, microstructureutveckling, och släktingtätheterna, med förväntan för bildande av TiN från Ti och pre-sintrade_0.3 TiN och förkroppsligar ³ 92- 93% släktingtätheter som innehåller endast stängda por. XRD mönstrar (Fig. 3 som Lämnas) taget för pudraöverenskommelsen, och pre-sintrat förkroppsliga att motsvara till 90/10 vol% efter den 1^st HIPingen, respektive, avslöjde att gamlaöverenskommelsen bestod av AlO₂₃, Ti och TiN_0.3, emellertid, sistnämnden av AlO₂₃ och TiN med ett litet belopp av AlTiNO_{0.542.460.284.58} (JCPDS#42-1279) som bevisar att bildandet av TiN vid heltäckande/gasar reaktion between (Ti/TiN_0.3) och MPa-n 6₂. Släktingtätheter av pre-sintrat förkroppsligar var beslutsamma att vara 97.5% (100/0 vol%, bulk täthet av 3,89 Mg/m³), 95.5% (95/5 vol%, 3,87 Mg/m³) och 94.5% (90/10 vol%, 3,90 Mg/m³, Fig. 2 (b)) baserat på de teoretiska tätheterna av crystalline arrangerar gradvis för AlO₂₃ och TiN utan respekt till AlTiNO_{0.542.460.284.58}. Dessa pudrar dataunderlag idéerna, som under 1st arrangerar av blandade HIPing, skulle överenskommelser ändrar in i sintrat pre- förkroppsligar med inga öppna por som komponeras av AlO-₂₃ matris och TiN, påskyndar, och därefter arrangerar^nd 2na pre-sintrad förkroppsligar skulle resultat i täta sammansatt material under kick N₂ pressar på den samma temperaturen av 1350 °C.

XRD mönstrar av den sintrade HÖFTEN förkroppsligar (Fig. 3, Rätt) mättes; det fanns ändring i det crystalline arrangerar gradvis lite i spänna av AlO₂₃ /TiN = 100/0 ~ 90/10 vol%, emellertid avkändes WC och_{0.542.460.284.58} AlTiNO som impurities. Det tänktes att den tidigare impurityen var blandad in i tar prov under att pulvrisera de täta sintrade materialen med enhård pestle WC-Co och mortel och sistnämnden förklarades av den halvledar- reaktionen bland AlO₂₃, TiN_0.3 och reactive Ti med absorberat syre på dess ytbehandlar under HIPing. Bulk tätheter av de sintrade överenskommelserna ändrade från 3,97 till 4,07 Mg/m³ med nöjd ökande TiN. Tvärtom minskade deras släktingtätheter från 99,6 till 98.6%; dessa släktingtätheter beräknades genom att använda de teoretiska tätheterna av 3,987 Mg/m³ (AlO₂₃) och 5,388 Mg/m³ (TiN: JCPDS#38-1420), i beräkningen, värderar av 15,66 Mg/m³ (WC: JCPDS#25-1047) och 0,978 Mg/m³ (AlTiNO_{0.542.460.284.58}: JCPDS#42-1279) ignorerades på grund av de små beloppen. Minskningen i släktingtätheter kunde förklaras in benämner av dämpning av densification för AlO₂₃ av närvaroen av TiN, som resulterade i förminskningen av korn storleksanpassar av AlO₂₃, som ska var beskriven mer sistnämnd.

Figurera 4 gåvor som SEM 2000 fotograferar för bryta ytbehandlar av thus förberedd AlO₂₃ /TiN = 100/0 ~ 90/10 vol% komposit efter kapsel-fria N-HIPing₂ (MPa 1350°C/6/1 MPa h-1350 °C/196/1 H); homogena microstructures som består av lilla AlO-₂₃ matris-korn och fina TiNpartiklar som var utdelade på AlO-₂₃ korngränser, observerades. Onormal korntillväxt av AlO-₂₃ matris-korn var inte igenkänd tar prov sammanlagt och att avslöja att homogena fina TiNpartiklar hade att kontrollera över korntillväxten av AlO₂₃ under HIPing. Från dessa fotograferar SEM 2000, storleksanpassar korn G_s av AlO, ₂₃ och TiN beräknades: G_s av AlO som₂₃ gradvist minskades från 2,0 till 1.3~1.4 mm, å andra sidan, G_s av TiN, var nästan konstant från 0,3 inom spänna av 0,4 mm, var det frikänden att detta storleksanpassar var samma som TiN_0.3 och Ti som startas material. Bulk tätheter av sintrade överenskommelser ökande monotonously med ökande TiN tillfredsställer tack vare skurkrollTiNen, å andra sidan, släktingtätheter som minskas från 99,6 till 98.6%; även om genom att använda enfria HIPing.

Figurera 5 shows (a) tre-pekar böjande styrkas_b, (b) Vickers hårdhetH, _V och (c) bryta toughness K_IC material av₂₃ för den AlO-/TiNkomposit. Styrkas_b förbättrades med nöjd ökande TiN upp till sammansättningen av AlO₂₃ /TiN = 97/3 vol%, från ~525 till det högst värdera MPa 640, och därefter värderar_b set minskat till MPa ~510. Denna tendens kunde förklaras, som från 100/0 till 97/3 compositional vol% spänna, släktingtätheter var nästan samma som kicken, som 99.3%, emellertid, G_s av AlO₂₃ minskade gradvist från 2,0 till ~1,3 mm.

(a)

(b)

Figurera 3. Lämnat; representativ XRD mönstrar för (a) den kompakt pudra, och (b) pre-sintrat förkroppsliga efter den 1^st HIPingen. Högert; XRD mönstrar för AlO-₂₃/TiNmaterial med sammansättningarna av 100/0~90/10 vol% efter kapsel-fritt N₂ HIPing av (1350 H för °C/6 MPa/1) - (1350 H för °C/196 MPa/1).

Därför var förhöjningen i styrka tack vare förminskningen av AlO-₂₃ korn storleksanpassar. Vickers hårdhetH_V och bryter toughness K_IC ökande upp till AlO₂₃ /TiN = sammansättning för 95/5 vol%, och därefter ansat till minskning litet; det högst värderar av H, _V och K_IC var 19,5 GPa och 4,5 MPam^1/2, respektive. Dessa data tänktes för att vara a bet lite förbättrat i jämförelse med de (MPa_b för s =457, H=19.2_V GPa, MPa_IC K=4.43•,M^1/2) för monolitisk AlO som₂₃ fabriceras i den närvarande studien. Värderar av H_V och K_IC för AlO-₂₃ MPa were18-23 GPa och 2.7-4.2•,M^1/2 [10] och de av tunn TiN filmar, eller keramik anmäldes för att vara 16-20 Gpa [10] och MPa 3,46•,M^1/2 [11], respektive. Emellertid upp till nu, lite är information som angå om mekanisk rekvisita av bulk TiN, tillgänglig på grund av dess fattiga sinterability, och TiN sig själv har använts som ett tunt filmar. Från dessa data kunde det påstås att de mekaniska uppförandena av de närvarande komposierna förbinds nära med deras släktingtätheter och korn storleksanpassar av matrisen AlO₂₃.

Figurera 4. SEM 2000 fotograferar för bryter ytbehandlar av AlO-₂₃/TiNkomposit med de olika sammansättningarna.

Figurera 5. Den Mekaniska rekvisitan s för styrka₂₃ av för AlO-/TiNkomposit (a) den böjande_b, (b) Vickers hårdhetH_V , (c) bryter toughness K_IC som en nöjd fungera av TiN.

Högt täta sintrade AlO-₂₃/TiNkomposit med släktingtätheten av 98% eller mer har fabricerats från det blandat pudrar [AlO₂₃ /(Ti, TiN_0.30)] överenskommelser, direkt genom samtidigt syntes och att sintra genom att använda kapsel-fritt högtryck N-HIPing₂. Material med sammansättningarna av AlO₂₃ /TiN = 97/3 och 95/5 vol% som består av den homogena matrisen₂₃ för AlO (2.0-1.3 mm) och fina TiNpartiklar (~0,3 mm) som var utdelade på AlO-korn₂₃ gränserna, gav jämnt högre mekanisk rekvisita än de av monolitisk alumina. Från resultaten av den närvarande studien har det görats klar, att, genom att applicera kapsel-fria N-HIPing₂ till förberedelsen av att iscensätta keramik att innehålla belägga med metall-nitriden, som nitriden även är svår att synthesizeds under det konventionellt villkorar, detta processaa ger denkosta fabriceringmetoden med lätt bruk i en kort funktionstid. Och thus förberett belägga med metall ska nitrides ger en ny bred applikation sätter in i framtid.

Författarna önskar att tacka Dr. T. Fujii, Industriell Forskning Centrerar av den Shiga Prefecturen i Japan för hans erbjudande av klumpa ihop sig-malde fina TiH₂ pudrar.

1. Sheriffen M., Eskandarany El., Omori M., Sumiyama K., Hirai T., Suziki K., ”Plasma Aktiverat Sintra för Befästning av Mekaniskt Reagerad TiN pudrar”, J. Jpn. Soc. Pudra Pudrar Belägger med metall., 44 (1997) 547-553.
2. Gogotsi Y.G., Porz F., ”Mekaniskt rekvisita och oxidationuppförande av₂₃ AlO-AlN-TiN komposit” J. Förmiddag. Ceram. Soc., 75 (1992) 2251-2259.
3. Mocellin A., Bayer G., ”Kemiskt och microstructural utredning av kick-tenperatureväxelverkan AlN och TiO2” J. Mater. Sci., 20 (1985) 3697-3704.
4. Rak Z.S., Czechowski J., ”Tillverkning och Rekvisita av AlO-TiN₂₃ Som består av partiklar Komposit,” J. Eur. Ceram. Soc., 18 (1998) 373 - 380.
5. Wang Y., Yuan Z., Matsuura H., Tukihashi F., ”FörminskningsExtraktionKinetics av Titania och Stryker från en Ilmenite vid H2-Ar Gasar Blandningar”, ISIJ-Landskamp, 49 [2] (2009) 164-170.
6. Li J., Gao L., Guo J., Sötpotatis D., ”Ny Metod som Förbereder den Electroconductive Titanium Nitride-Aluminium Oxiden Nanocomposites” J. Förmiddag. Ceram. Soc., 85 [3] (2000) 724-726.
7. Lu C.J., Li Z.Q.,” Strukturell evolution av TiH-BC₂₄ under klumpa ihop sig malning, och följande värma - behandling”, J. Legera Blanda, 448 (2008) 198-201.
8. Mendelson M.I., ”Genomsnittligt Korn Storleksanpassar i Polycrystalline Keramik”, J. Förmiddag. Ceram. Soc., 52 (1969) 443-446.
9. Niihara K., Morena R., Hasselman D.P.H., ”Utvärdering av K_IC av Bräckliga Heltäckande vid InryckningsMetoden med Låga Spricka-till-Inryckning Förhållanden”, J. Mater. Sci. Lett., 1 (1982) 13-16.
10. Lakejen W.J., Stinton D.P., Cerny G.A., Schaffhauser A.C., Fehrenbacher L.L., ”Keramiskt Täcka för Avancerat Värmer Motorer-En Granskar och Projektion”, Adv. Ceram. Mattt., 2 [1] (1987) 24-30.
11. Moriyama M., Aoki H., Kobayashi Y., Kamata K., ”Den Mekaniska Rekvisitan av Hoa-Pressande TiNKeramik med Olika Tillsatser”, J. Ceram. Soc. Jpn., 101 [3] (1993) 279-284.

Katsuya Takaoka, Hajime Yagura, Masaki Kato och Ken Hirota
Avdelning av Molekylär Kemi & Biochemistry, Fakultet av Vetenskap & att Iscensätta, Doshisha Universitetar, Kyo-Tanabe 610-0321, Japan

Detta pappers- publicerades också i tryck bildar i ”Framflyttningar i Teknologi av Material och Material som Bearbetar”, 13 [2] (2011) 93-98.