Crack healing and mechanical properties of nano metal dispersed alumina matrix composites

Abstract

Bu çalışmada çatlak iyileştirme özelliği olan nano metal katkılı alümina (Al2O3) matris kompozit seramiklerin üretilmesi, mikroyapısal ve mekanik analizlerinin yapılması amaçlanmıştır. Metal katkı malzemesi olarak nikel ve kobalt kullanılmıştır. Hacimce %3 nikel ve kobalt içeren kaba ve ince nano tane boyutlu alumina matrisli seramik numuneler hazırlanmış ve dörtgen şeklinde preslenmiştir. Numuneler 1550 ? sıcaklıkla 2 saat süresince sinterlenmiş ve mekanik testlere uygun olacak şekilde çubuk formunda kesilmiştir. Yüzeyde çatlak oluşumu için Vickers indentasyonu uygulanmıştır. Çatlak iyileşmesi özelliğini incelemek için ikinci bir ısıl işlem 1200 ? 'de 2 saat ve 6 saat tutma süresi ile gerçekleştirilmiştir. Üretilen numunelerin yoğunluk ve mukavemet değerleri deneysel olarak ölçülmüştür. Mikroyapısal analiz taramalı elektron mikroskobu, kristal faz analizi ise X-ışını kırınımı ile gerçekleştirilmiştir. Çalışmada mekanik özelliklerin tamamen geri kazanımı sağlanmıştır. Kobalt katkı maddesinin nikele kıyasla daha efektif olduğu saptanmıştır. Ayrıca 6 saat ısıl işlemin, 2 saatlik ısıl işleme göre daha iyi sonuç verdiği görülmüştür. İyileşen numunelerde elde edilen en yüksek mukavemet değeri 6 saat ısıl işlem görmüş ince taneli Al2O3- 3% Co numunesinde elde edilmiştir. Kobalt takviyeli numunelerin hepsinin yüzeyinde çatlakların tamamen kapandığı gözlemlenmiştir, ancak nikel katkılı numunelerde çatlaklar hala görülebilmektedir. Nikel katkılı numunelerde çatlaklar hala görünür durumda olmasına rağmen, hem nikel hem de kobalt katkılı numuneler mekanik özelliklerini geri kazanmıştır. Çalışmanın sonucunda geleneksel sinterleme metodu ile sinterlenmiş metalik parçacık takviyeli seramik kompozitlerin çatlak iyileşmesi özelliği gösterdiği ve kobalt katkı maddesinin nikele göre daha efektif olduğu gözlemlenmiştir.In this study, it is aimed to produce alumina (Al2O3) matrix composite ceramics reinforced with nano-sized metallic particles with crack healing ability to investigate the microstructure and mechanical properties. Nickel and cobalt additives are used as metallic additives. Composites with 3 vol% nickel and cobalt in coarse and fine nano sized alumina powders are prepared and pressed in rectangular shaped form. Samples are sintered at 1550 ? for 2 hours. Vickers indentation is applied to form initial cracks on surfaces. Secondary heat treatment is made at 1200 ? for 2 hours and 6 hours for observing the crack healing ability of composite samples. The density and the mechanical strength of sintered and heat-treated samples are measured experimentally. Microstructural analysis is made by scanning electron microscope and crystal phase analysis is made by X-ray diffraction method. Complete recovery of mechanical properties is achieved in this work. It was observed that cobalt addition is more effective than nickel addition for crack healing. Also, 6 hours of heat treatment results in better crack healing for all samples. The highest recovered mechanical strength is obtained for 6 hours of heat-treated fine Al2O3- 3% Co sample. For cobalt added samples, it was observed that crack on the surface is fully healed, while cracks on nickel added samples surfaces are still visible. Mechanical properties are recovered for cobalt and nickel added samples, even though cracks are still visible on surfaces for nickel added samples. Results show that the crack healing mechanism is suitable with metallic particle reinforced ceramics with the traditional sintering method and cobalt addition performs better performance than nickel addition in terms of oxidation.