Liquid phase sintering of SiC ceramics with rare earth sesquioxides

Abstract

The objective of this work is to develop SiC ceramics using high refractory sintering additives which posses good high temperature as well as room temperature properties. Silicon carbide ceramics were produced by pressureless sintering of a mixture of alpha- and beta-SiC powders along with different combinations of rare earth sesquioxides and aluminium nitride as sintering additives. In order to understand the densification behaviour, the green bodies were sintered in Ar or N2 atmosphere in the temperature range of 1850 to 2150°C. The high temperature bending strength was measured under 4-point bending in temperatures between 1200 to 1500°C in air. 4-point bending creep rate measurements of liquid phase sintered SiC were also performed in air at temperatures ranging from 1200 to 1500°C with different applied stress levels varying from 50 MPa to 300 MPa. Compliance tests were carried out under a transient load of 100 MPa with a cross head speed of 0.1 mm/s in the temperatures between 850 and 1450°C at intervals of 150°C. Oxidation resistance was measured at different temperatures varying from 1200 to 1500°C in air. The microstructural development was analysed with the help of scanning electron microscope and transmission electron microscope. The correlation between microstructure and thermomechanical properties of LPS-SiC are discussed.

Ziel der Arbeit ist es, Grundlagen für die Entwicklung von hochtemperaturstabilen additivhaltigen SiC-Werkstoffen zu schaffen, die neben sehr guten Hochtemperatureigenschaften auch über hohe Kennwerte bei Raumtemperatur verfügen. Siliciumcarbidkeramik wurde durch druckloses Sintern von Mischungen aus beta- und alpha-SiC Pulver als Ausgangsmaterialien, mit unterschiedlichen Kombinationen von Sesquioxiden der seltenen Erden sowie Aluminiumnitrid als Sinterzusätze, hergestellt. Zur Untersuchung des Verdichtungsverhaltens wurden, die Grünlinge unter Ar oder N2 als Ofenatmosphäre und innerhalb des Temperaturintervalles zwischen 1850 und 2150°C gesintert. Die 4-Punkt Hochtemperaturbiegebruchfestigkeit wurde an Luft von 1200 bis 1500°C gemessen. Kriechversuche an flüssigphasengesintertem SiC mittels des 4- Punkt-Biegeversuches wurden von 1200 bis 1500°C ebenfalls an Luft durchgeführt. Die aufgebrachten Lasten lagen dabei zwischen 50 und 300 MPa. Steifigkeitstests mit einer Last von 100 MPa und einer Belastungsgeschwindigkeit von 0.1 mm/s wurden im Temperaturbereich von 850 bis 1450°C in Intervallen von 150 K durchgeführt. Messungen des Oxidationswiderstandes wurden bei verschiedenen Temperaturen von 1200 bis 1500°C an Luft durchgeführt. Die Ausbildung des Gefüges wurde mit Hilfe der Rasterelektronenmikroskopie Transmissionselektronenmikroskopie analysiert. Der Zusammenhang zwischen Gefüge und verschiedenen mechanischen und thermomechanischen Eigenschaften von LPS-SiC wird diskutiert.