Effects of SiC On the Microstructure, Densification, Hardness and Wear Performance of TiB2 Ceramic Matrix Composite Consolidated Via Spark Plasma Sintering
Creators
- 1. Tshwane University of Technology
- 2. University of Namibia
- 3. Council for Scientific and Industrial Research
Description
Abstract Monolithic TiB 2 are known to have a good combination of densification and hardness which are sometimes useful but limited in application. However, their usage in service at elevated temperatures such as in power thermal plants, cutting tools, tribological purposes (cutting tools, mechanical seals, blast nozzles, and wheel dressing tools), etc leads to catastrophic failure. Hence, the introduction of sintering additives in the TiB 2 matrix has a high influence on the improvement of its sinterability, and properties (fracture toughness, wear resistance etc.,) of the resulting composite needed to meets the requirement for various industrial applications. In this study, the influence of SiC as sintering additives on the microstructure, densification, hardness and wear performance of TiB 2 ceramic was observed. Hence, TiB 2, TiB 2 -10wt%SiC and TiB 2 -20wt%SiC were sintered at 1850 o C for 10 minutes under 50 MPa. The impacts of SiC on the TiB 2 were observed to improve the microstructure correspondingly improving densification and mechanical properties, most especially with the composites with 20wt% SiC. Combined excellent densification, hardness and fracture toughness of 99.5%, 25.5 GPa, 4.5 MPa.m 1/2 were achieved respectively for TiB 2 -20wt%SiC. Diverse in-situ phase and microstructural alterations were detected in the sintered composites, and it was discovered that the in-situ phase of TiC serves as the contributing factor to the enhanced features of the composites. Moreover, the coefficient of friction and wear performance outcomes of the synthesized composites described a decrease in the coefficient with an enhanced wear resistance via the increasing SiC particulate, although the application of the load from 10 N-20 N increased the wear rates.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
من المعروف أن TiB 2 التجريدية المتجانسة لديها مزيج جيد من التكثيف والصلابة التي تكون مفيدة في بعض الأحيان ولكنها محدودة في التطبيق. ومع ذلك، فإن استخدامها في الخدمة في درجات حرارة مرتفعة كما هو الحال في المحطات الحرارية للطاقة، وأدوات القطع، والأغراض الثلاثية (أدوات القطع، والأختام الميكانيكية، وفوهات الانفجار، وأدوات ضمادة العجلات)، وما إلى ذلك يؤدي إلى فشل كارثي. وبالتالي، فإن إدخال إضافات التلبيد في مصفوفة TiB 2 له تأثير كبير على تحسين قابليتها للتلبيد، وخصائصها (صلابة الكسر، ومقاومة التآكل وما إلى ذلك) للمركب الناتج اللازم لتلبية متطلبات التطبيقات الصناعية المختلفة. في هذه الدراسة، لوحظ تأثير SiC كإضافات تلبيد على البنية المجهرية والتكثيف والصلابة وأداء التآكل لسيراميك TiB 2. وبالتالي، تم تلبيد TiB 2، TiB 2 -10wt ٪SiC و TiB 2 -20wt ٪SiC عند 1850 درجة مئوية لمدة 10 دقائق تحت 50 ميجا باسكال. لوحظت تأثيرات SiC على TiB 2 لتحسين البنية المجهرية وبالتالي تحسين التكثيف والخواص الميكانيكية، وعلى الأخص مع المواد المركبة بنسبة 20 ٪ بالوزن من SiC. تم تحقيق التكثيف الممتاز والصلابة وصلابة الكسر بنسبة 99.5 ٪ و 25.5 جيجا باسكال و 4.5 ميجا باسكال 1/2 على التوالي لـ TiB 2 -20 ٪ بالوزن من SiC. تم الكشف عن مرحلة متنوعة في الموقع والتغييرات الهيكلية الدقيقة في المركبات الملبدة، واكتشف أن المرحلة في الموقع من TiC تعمل كعامل مساهم في الميزات المحسنة للمركبات. علاوة على ذلك، وصف معامل الاحتكاك ونتائج أداء التآكل للمركبات المركبة انخفاضًا في المعامل مع مقاومة تآكل معززة عبر جسيمات SiC المتزايدة، على الرغم من أن تطبيق الحمل من 10 N -20 N زاد من معدلات التآكل.Translated Description (French)
Résumé Le TiB 2 monolithique est connu pour avoir une bonne combinaison de densification et de dureté qui sont parfois utiles mais limitées dans l'application. Cependant, leur utilisation en service à des températures élevées telles que dans les centrales thermiques, les outils de coupe, à des fins tribologiques (outils de coupe, joints mécaniques, buses de soufflage et outils de dressage des roues), etc. conduit à une défaillance catastrophique. Par conséquent, l'introduction d'additifs de frittage dans la matrice de TiB 2 a une forte influence sur l'amélioration de son aptitude au frittage et des propriétés (ténacité à la rupture, résistance à l'usure, etc.) du composite résultant nécessaires pour répondre aux exigences de diverses applications industrielles. Dans cette étude, l'influence du SiC en tant qu'additifs de frittage sur la microstructure, la densification, la dureté et les performances d'usure de la céramique TiB 2 a été observée. Par conséquent, TiB 2, TiB 2 -10 %en poids de SiC et TiB 2 -20 %en poids de SiC ont été frittés à 1850 o C pendant 10 minutes sous 50 MPa. Les impacts du SiC sur le TiB 2 ont été observés pour améliorer la microstructure en améliorant de manière correspondante la densification et les propriétés mécaniques, plus particulièrement avec les composites avec 20 % en poids de SiC. Une excellente densification, une dureté et une ténacité à la rupture combinées de 99,5 %, 25,5 GPa, 4,5 MPa.m 1/2 ont été obtenues respectivement pour TiB 2 -20 %en poids de SiC. Diverses altérations de la phase in situ et de la microstructure ont été détectées dans les composites frittés, et il a été découvert que la phase in situ du TiC sert de facteur contribuant aux caractéristiques améliorées des composites. De plus, le coefficient de frottement et les résultats de performance d'usure des composites synthétisés ont décrit une diminution du coefficient avec une résistance à l'usure améliorée via l'augmentation des particules de SiC, bien que l'application de la charge de 10 N-20 N ait augmenté les taux d'usure.Translated Description (Spanish)
Se sabe que el TiB 2 monolítico tiene una buena combinación de densificación y dureza que a veces son útiles pero de aplicación limitada. Sin embargo, su uso en servicio a temperaturas elevadas, como en plantas térmicas de energía, herramientas de corte, propósitos tribológicos (herramientas de corte, sellos mecánicos, boquillas de chorro y herramientas de acondicionamiento de ruedas), etc., conduce a fallas catastróficas. Por lo tanto, la introducción de aditivos de sinterización en la matriz de TiB 2 tiene una gran influencia en la mejora de su sinterizabilidad y las propiedades (tenacidad a la fractura, resistencia al desgaste, etc.) del compuesto resultante necesarias para cumplir con los requisitos para diversas aplicaciones industriales. En este estudio, se observó la influencia del SiC como aditivos de sinterización en la microestructura, densificación, dureza y rendimiento de desgaste de la cerámica TiB 2. Por lo tanto, TiB 2, TiB 2 -10% en peso de SiC y TiB 2 -20% en peso de SiC se sinterizaron a 1850 o C durante 10 minutos a 50 MPa. Se observó que los impactos del SiC en el TiB 2 mejoran la microestructura mejorando correspondientemente la densificación y las propiedades mecánicas, más especialmente con los compuestos con 20% en peso de SiC. Se lograron una excelente densificación, dureza y tenacidad a la fractura combinadas de 99.5%, 25.5 GPa, 4.5 MPa.m 1/2 respectivamente para TiB 2 -20% enpeso de SiC. Se detectaron diversas alteraciones microestructurales y de fase in situ en los materiales compuestos sinterizados, y se descubrió que la fase in situ de TIC sirve como factor contribuyente a las características mejoradas de los materiales compuestos. Además, los resultados del coeficiente de fricción y el rendimiento de desgaste de los materiales compuestos sintetizados describieron una disminución en el coeficiente con una mayor resistencia al desgaste a través del aumento de las partículas de SiC, aunque la aplicación de la carga de 10 N-20 N aumentó las tasas de desgaste.Files
latest.pdf.pdf
Files
(5.3 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:c406c0ce32d1fc0cad881720a0860bd3
|
5.3 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تأثيرات SiC على البنية المجهرية والتكثيف والصلابة وأداء التآكل لمصفوفة السيراميك TiB2 المركبة المدمجة عبر تلبيد بلازما الشرارة
- Translated title (French)
- Effets du SiC sur la microstructure, la densification, la dureté et les performances à l'usure du composite à matrice céramique TiB2 consolidé par frittage au plasma étincelant
- Translated title (Spanish)
- Efectos del SiC en la microestructura, la densificación, la dureza y el rendimiento de desgaste del compuesto de matriz cerámica TiB2 consolidado a través de la sinterización de plasma por chispa
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3202956338
- DOI
- 10.21203/rs.3.rs-884916/v1