Abstract

Abstract

Influence of the composition for b-sialon production on the sintered product has been studied. During the sintering in the vacuum furnace at 1750 °С at nitrogen atmosphere sialons of different composition were obtained: Si2Al4O4N4, Si3Al3O3N5.

Full Text

Сиалон – новый и перспективный класс конструкционных материалов для получения изделий, обладающих высокотемпературной прочностью, устойчивостью к окислению, низким коэффициентом теплового расширения и т.д. Для получения сиалона с заданными свойствами и характеристиками необходимо учитывать множество факторов, оказывающих влияние на конечный продукт. Свойства получаемого материала зависят от условий измельчения, методов консолидации, технологических характеристик. Важен каждый этап: от предварительной подготовки порошков: их гранулометрического состава, чистоты, соотношения компонентов в композиции, – до параметров режима спекания: температуры, времени выдержки и т.д. В связи с этим проводятся исследования закономерностей влияния тех или иных факторов на характеристики получаемого материала, его состав и свойства [1]. В данной работе для синтеза сиалона использовали порошки Si3N4, Al2O3, AlN и Y2O3. Метод консолидации – прессование образцов на ручном гидравлическом прессе и спекание при температуре 1750 °С в атмосфере азота. Проведение эксперимента. В экспериментах использовали порошки Si3N4, Al2O3, AlN и Y2O3; этиловый спирт и ацетон – для измельчения порошков; 4%-ный раствор поливинилового спирта – при прессовании образцов. Проведен гранулометрический анализ порошков на приборах Analyzette 22 NanoTech и CPS Disc Centrifuge. На приборе Sorbi 4.1 определена удельная поверхность (табл. 1). Таблица 1 Результаты гранулометрического анализа исходных порошков и значения удельной поверхности № п/п Порошок Analyzette 22, dср, мкм CPS Disc Centrifuge, dср, мкм Удельная поверхность, м2/г 1 Al2O3 2,03 1,23 7,72 2 Si3N4 2,04 2,4 1,72 3 AlN 9,6 6,3 1,22 4 Y2O3 12,4 5,7 13,4 Порошки для получения b-сиалона: Si3N4, Al2O3 и AlN, – смешали с добавлением оксида иттрия Y2O3 для активации процесса спекания. Композицию измельчали и смешивали с использованием мельниц различного принципа действия в кюветах из разного материала. При измельчении в титановых кюветах на вибромельнице в течение 3 ч образуется намол титана, около 2 %. При измельчении в твердосплавных кюветах (ВК6) в течение 2 ч на вариопланетарной мельнице «Пульверизетте» намол вольфрама составил около 4 %, кобальта – около 0,3 %. Композицию также измельчали на планетарной мельнице Sand в течение 70 ч в халцедоновых кюветах с халцедоновыми шарами в ацетоне. Через определенные промежутки времени измеряли размер частиц порошка на лазерном анализаторе частиц Analyzette 22 NanoTech: Время помола, ч 6 12 20 30 40 50 70 dср, мкм 1,567 0,96 1,4 1,05 0,968 0,723 0,703 При использовании халцедоновых кювет в течение 6 ч работы намол SiO2 составил 0,35 % от массы шаров. Исследован фазовый состав намола. На дифрактограмме присутствуют дифракционные линии SiO2 кварца, а также следы аморфной фазы SiO2 (рис. 1). Расчет по программе XRD: Crystallinity показал, что содержание кристаллической фазы составляет 58,8 %. Подпись: Интенсивность, имп/с 2q, град Рис. 1. Фрагмент дифрактограммы порошка намола Для проведения процесса спекания порошок Si3N4 предварительно измельчали на планетарной мельнице Sand в течение 10 ч в халцедоновых кюветах в этиловом спирте. Проведен гранулометрический анализ порошка до и после помола на лазерном анализаторе частиц Analyzette 22 NanoTech. Размер частиц исходного порошка 2,04 мкм, после измельчения в течение 10 ч – 0,96 мкм. На основе измельченного порошка Si3N4 приготовлено три композиции, включающие в себя следующие компоненты: 1. Si3N4, Al2O3, AlN и Y2O3. 2. композиция № 1 с избытком компонентов Si3N4 и AlN, позволяющих устранить отрицательное влияние намола SiO2. 3. композиция № 2 с добавлением 2 % SiO2, полученного золь-гель методом, для активации процесса спекания. Измельчение и смешивание композиций проводили на планетарной мельнице Sand в халцедоновых кюветах с ацетоном в течение 2 ч. Проведен рентгенофазовый анализ смеси сиалона до и после измельчения. Полученные спектры практически идентичны. На дифрактограммах композиций присутствуют следующие фазы: основная фаза – Si3N4; фазы Al2O3, Y2O3, AlN и SiO2 (рис. 2). Подпись: Интенсивность, имп/с 2q, град Рис. 2. Дифрактограмма композиции для получения сиалона после измельчения (композиция № 1) Из полученных композиций были спрессованы таблетки диаметром 1,2 см. Средняя плотность прессовок составила 1,8 г/см3. Спекание прессовок проводили в среде чистого азота при температуре 1750 °С в засыпке из нитрида кремния [2]. Методом гидростатического взвешивания определена плотность и пористость спеченных образцов [3]. Обсуждение результатов. Плотность образцов, приготовленных из композиций № 1 и 2, составила 3 г/см3, пористость 3 %. Образцы, полученные из композиций № 3, обладают плотностью 2,7 г/см3, пористость 9 %. Рентгенофазовый анализ образцов, спеченных при 1750 °С, показал образование сиалонов различного состава. На дифрактограмме образца № 1 присутствует основная фаза Si2Al4O4N4 с преимущественной кристаллографической ориентировкой по направлению (101) и параметрами гексагональной кристаллической решетки а = 7,69Å и с = 2,99Å; а также следовое количество SiO2 (рис. 3, а). На дифрактограммах образцов № 2 и 3 имеются линии Подпись: Интенсивность, имп/с 2q, град a Подпись: Интенсивность, имп/с 2q, град б Рис. 3. Дифрактограммы спеченных образцов: а – образцы из композиции № 1; б – образцы из композиции № 3 высокой интенсивности от двух фаз: Si3Al3O3N5 с параметрами гексагональной кристаллической решетки а = 7,68Å и с = 2,97Å, а также 15R-SiAlON (политипоид AlN) состава SiAl4O2N4 [4] с параметрами ромбоэдрической кристаллической решетки а = 3,01Å и с = 41,8Å (рис. 3, б). Линий SiO2 не обнаружено. В табл. 2 представлены характеристики образцов после спекания. Относительная погрешность метода РФА составляет 5 %. Таблица 2 Характеристики образцов сиалона после спекания Номер композиции Плотность, г/см3 Пористость, % Состав образцов 1 3,01 3 Si2Al4O4N4 – гексагональная кристаллическая решетка, а = 7,69Å и с = 2,99Å, следы SiO2 2 3,0 3 Si3Al3O3N5 – гексагональная кристаллическая решетка, а = 7,68Å и с = 2,97Å, 15R-SiAlON (SiAl4O2N4) – ромбоэдрическая кристаллическая решетка, а = 3,01Å и с = 41,8Å, SiO2 не обнаружено 3 2,7 9 Сделаем следующие выводы. Проведено спекание образцов сиалона из трех композиций различного состава в вакуумной печи при температуре 1750 °С в атмосфере азота. При этом получены сиалоны следующего состава: Si2Al4O4N4, Si3Al3O3N5. Рентгенофазовый анализ проводился на дифрактометре XRD-6000 Shimadzu в Cu-Kα-излучении. Условия консолидации не позволили получить b-сиалон состава Si5AlON7.