Normal ve Kriyojenik Şartlarda Öğütmenin Aktive Edilmiş Sinterleme Süreçleri ile Geliştirilen Tungsten Esaslı Kompozitlerin Mikroyapı ve Özellikleri Üzerindeki Etkisi
Bu çalışmada, Ni ile aktive edilerek sinterlenen tungsten esaslı matrisin TiB2 ve Y2O3 partikülleri ile takviye edilmesiyle, tungsten esaslı kompozit malzeme üretimi gerçekleştirilmiştir. W - % 1 ağ. Ni - % 2 ağ. TiB2 - % 1 ağ. Y2O3 kompozisyonundan oluşan toz harmanları, normal koşullarda 12 sa mekanik olarak öğütülerek ya da 10 dk kriyojenik ortamda öğütülerek ya da normal ve kriyojenik şartlarda ardışık olarak öğütülerek hazırlanmıştır. Normal şartlarda öğütme yüksek enerjili bir değirmende uygulanırken; kriyojenik şartlarda öğütme sıvı azot ile dışarıdan çevrelenen bir sistemde yapılmıştır. Öğütülmüş tozlar hidrolik pres kullanılarak preslenmiş ve pekiştirilen bünyeler Ar/H2 gazaltı şartlarında 1400°C’de 1 sa sinterlenmiştir. Farklı öğütme koşullarının sinterlenen kompozit malzemelerin mikroyapısı ve özellikleri üzerindeki etkisi incelenmiştir. Sinterlenme sonrasında, baskın W fazına ek olarak düşük mikarda WB ve NiW fazları oluşumu gözlemlenmiştir. Normal şartlarda öğütme sonrası uygulanan kriyojenik öğütme, sinter malzemelerin mikroyapısındaki TiB2 ve Y2O3 partiküllerin topaklanmasının yok olmasına neden olmuştur: Partiküllerin W1Ni matrisinin tane sınırlarında ve homojen olarak mikroyapıda dağılması sağlanmıştır. Ardışık olarak öğütülmüş ve sinterlenmiş kompozitler, numuneler arasında en yüksek rölatif yoğunluk (% 95,77) ve mikrosertlik değerlerini (7,23 GPa) sunmuştur. Nano-indentasyon testleri sayesinde, W matris fazının sertlik ve elastisite modül değerlerinin sırasıyla 8,9 ve 373,7 GPa değerlerine kadar iyileştirildiği kanıtlanmıştır.
Effect of Ambient and Cryogenic Milling on the Microstructure and Properties of Tungsten Matrix Composites Fabricated by Activated Sintering
Tungsten matrix composites reinforced with TiB2 and Y2O3 particles were fabricated by millingunder ambient/cryogenic conditions and Ni activated sintering. Powder blends constituting the W - 1 wt. % Ni- 2 wt. % TiB2 - 1 wt. % Y2O3 composition were mechanically milled for 12 h under ambient condition orcryomilled for 10 min or sequentially milled under ambient and cryogenic conditions. Milling was carried outin a high-energy ball mill under ambient condition whereas cryogenic milling was conducted in externallycirculated liquid nitrogen. Milled powders were compacted using a hydraulic press and the pellets were sinteredat 1400°C for 1 h under Ar / H2 gas flowing conditions. The effects of different milling types on themicrostructural and mechanical properties of the sintered composites were investigated. After sintering, inaddition to dominant W phase, small amounts of WB and NiW phases were detected in all sintered samples.The application of cryomilling after milling at ambient condition provided the disappearance of the clusteredTiB2 and Y2O3 particles in the sintered sample: They were located at the grain boundaries of W1Ni matrix andhomogeneously distributed through the microstructure. Sequentially milled and sintered composite had thehighest relative density (95.77 %) and the highest microhardness (7.23 GPa) values among the samples. Nanoindentationtests showed that there was an improvement in the hardness and elastic modulus of W matrix phase,which yielded the values of 8.9 and 373.7 GPa, respectively.
___
- Lassner E., Schubert W.D., Tungsten:
Properties, Chemistry, Technology of the
Element, Alloys and Chemical Compounds,
Kluwer Academic, New York, 1999.
- Caldwell S.G., Tungsten heavy alloys, in: Lee
P.W., Lacocca R. (Eds.), Powder Metal
Technologies and Applications, ASM
Handbook (v. 7), ASM International,
Materials Park, Ohio, (1998) 914–921.
- Arshad K., Wang J., Yuan Y., Zhang Y., Zhou
Z.-J. and Lu G.-H., Development of tungstenbased
materials by different sintering
techniques, Int. J. Refract. Met. Hard Mater.,
50 (2015) 253–257.
- Wei B., Wang Y., Zhao Y., Wang D., Song G.,
Fu Y. and Zhou Y., Effect of NbC content on
microstructure and mechanical properties of
W-NbC composites, Int. J. Refract. Met. Hard
Mater., 70 (2018) 66–76.
- Li Y., Zhang J., Luo G., Shen Q., and Zhang
L., Densification and properties investigation
of W-Cu composites prepared by electrolessplating
and activated sintering, Int. J. Refract.
Met. Hard Mater., 71 (2018) 255–261.
- German R.M. and Munir Z.A., Enhanced lowtemperature
sintering of tungsten, Metall.
Mater. Trans., A 7 (1976) 1873–1877.
- Hayden H.W. and Brophy J.H., The activated
sintering of tungsten with group VIII
elements, J. Electrochem. Soc., 110 (1963)
805–810.
- Song G.M., Wang Y.J. and Zhou Y., The
mechanical and thermophysical properties of
ZrC/W composites at elevated temperature,
Mater. Sci. Eng. A-Struct., 334 (2002) 223–
232.
- Kim Y., Lee H.K., Kim E., Cheong D. and
Hong S.H., Fabrication of high temperature
oxides strengthened tungsten composites by
spark plasma sintering process, Int. J. Refract.
Met. Hard Mater., 27 (2009) 842–846.
- Chen Y., Wu Y.C., Yu F.W. and Chen J.L.,
Microstructure and mechanical properties of
tungsten composites co-strengthened by
dispersed TiC and La2O3 particles, Int. J.
Refract. Met. Hard Mater., 26 (2008) 525–
529.
- Liu W., Xue L. and Yan Y., Microstructure
and mechanical properties of W-Cr-TiN
composite by spark plasma sintering, Fusion
Engineering and Design, 125 (2017) 503–509.
- Ağaoğulları D., Balcı Ö., Gökçe H., Öveçoğlu
M. L. and Duman I., Comparative
investigations of the activated sintered W–
1wt.% Ni composites reinforced with various
oxide and boride particles, Int. J. Refract. Met.
Hard Mater., 41 (2013) 577–584.
- Li B., Sun Z., Hou G., Ding F., Hu P. and
Yuan F., The effects of alumina reinforcement
and nickel activated sintering on nanosized
tungsten matrix, J.Alloy. Compd., 692 (2017)
420–426.
- Genç A., Çoşkun S. and Öveçoğlu M.L.,
Microstructural characterizations of Ni
activated sintered W-2 wt % TiC composites
produced via mechanical alloying, J.Alloy.
Compd., 497 (2010) 80–89.
- Gökçe H., Balcı Ö., Ağaoğulları D., Demirkan
Ö., Genç A., Öveçoğlu M.L. and Duman I.,
Characterization Investigations of W-Ni
Matrix Composites Reinforced with TiB2 and
La2O3, Acta Physica Polonica A, 123-2 (2013)
309–312.
- Balcı Ö., Demirkan Ö. U., Ağaoğulları D.,
Gökçe H., Genç A., Öveçoğlu M. L. and
Duman I., Effects of La2O3 Addition on the
microstructure and properties of activated
sintered W-Ni Compacts, Solid State
Phenomen., 194 (2012) 217–221.
- Munro R.G., Material properties of titanium
diboride, J. Res. Natl. Inst. Stan., 105 (2000)
709-720.
- Battabyal M., Schäublin R., Spätig P. and
Baluc N., W–2wt. %Y2O3 composite:
Microstructure and mechanical properties,
Mat. Sci. Eng. A, 538 (2012) 53–57.
- Genç A., Coşkun S. and Öveçoğlu M.,
Fabrication and properties of mechanically
alloyed and Ni activated sintered W matrix
composites reinforced with Y2O3 and TiB2
particles, Mater. Charact., 61-7 (2010) 740–
748.
- Çoşkun S. and Öveçoğlu M.L., Effects of
Y2O3 additions on mechanically alloyed and
sintered W-4 wt% SiC composites, Int. J.
Refract. Met. Hard Mater., 29 (2011) 651–
655.
- Gupta V.K., Yoon D.H., Meyer H.M. and Luo
J., Thin intergranular films and solidstate
activated sintering in nickel-doped tungsten,
Acta Mater., 55 (2007) 3131–3142.
- Ağaoğulları D., Balcı Ö. and Öveçoğlu M. L.,
Effect of milling type on the microstructural
and mechanical properties of W-Ni-ZrC-Y2O3
composites, Ceram. Int., 43-9 (2017) 7106–
7114.
- Back S.H., Lee G.H. and Kang S., Effect of
cryomilling on particle size and microstrain in
a WC-Co alloy, Mater. Trans., 46-1 (2005)
105–110.
- Veleva L., Oksiuta Z., Vogt U. and Baluc N.
Sintering and characterization of W–Y and
W–Y2O3 materials. Fusion Eng. Des., 84
(2009) 1920–1924.
- Suryanarayana C., Mechanical alloying and
milling, Prog. Mater. Sci., 46 (2001) 1–184.
- Oliver W.C. and Pharr G.M., An improved
technique for determining hardness and elastic
modulus using load and displacement sensing
indentation experiments, Journal of Materials
Research 7-6 (1992) 1564–1583.