Alumina ve alumina-zirkonya kompozitine kromoksit katkısının etkisi

Alümina, sahip olduğu optik, dielektrik, mekanik, termal özelliklerinden dolayı uzun yıllardır seramik matrisli malzemelerde sıklıkla kullanılan en önemli ileri seramik malzemelerden biridir. Yüksek elastik modül, yüksek sıcaklık kimyasal direnci, aşınma direnci, düşük yoğunluk, biyouyumluluk, korozyon direnci gibi üst düzey özelliklere sahiptir. Fakat yapısal seramiklerin neredeyse tamamı tek başlarına bütün mühendislik gereksinimlerini karşılayamamaktadır. Alüminaya ağ. %10-%20 aralığında zirkonya ilave edilerek oluşturulan yeni kompozit malzemenin kırılma tokluğunun alüminaya göre önemli derecede yükseldiği bilinmektedir. Bu artış zirkonyum dioksitin dönüşüm toklaştırma mekanizması ile gerçekleşir. Tokluğu artan alüminanın bununla birlikte sertlik değerleri de düşmektedir. Bu seramiklerden biri olan alümina nispeten düşük tokluk ve düşük eğilme mukavemeti gibi dezavantajlara sahiptir. Bu çalışmada krom oksit (Cr2O3) ilavesinin zirkonya ile toklaştırılmış alümina (Al2O3) kompozitlerinin mikroyapı ve mekanik özelliklerine etkisi incelenmiştir. Deneysel çalışmada 1550 °C'de ve farklı sürelerde zirkonyanın alüminanın toklaşmasına etkisini incelerken düşük oranlarda krom oksit ilavesinin etkisi, sadece alümina-zirkonya içeren kompozitlerle mukayese edilmiştir. Al2O3, Al2O3+Ağ. %10 Zirkonya, Al2O3+Ağ. %0,5Cr2O3, Al2O3+Ağ. %1Cr2O3, Al2O3+Ağ. %1,5Cr2O3, Al2O3+Ağ. %10Zirkonya+Ağ. %0,5-1,-1,5 Cr2O3 tozları kuru olarak bilyalı değirmende 200 devir/dakika ile 4 saat karıştırılmıştır. Hazırlanan tozlar 170 MPa basınç altında tek yönde sıkıştırılarak 1550 °C'de 2, 4, 6 saat açık atmosferli elektrik direnç fırınında sinterlenmiştir. Elde edilen tozlar taramalı elektron mikroskobu (SEM), x ışınları analizi (XRD), yoğunluk ve sertlik ölçüm testleri gerçekleştirildi. SEM incelemesi Cr2O3 ilavesinin sinterleme sıcaklığının artması ile alüminanın tane boyutu artışını ve anormal tane büyümesini engellediği gözlemlenmiştir. Kromun alümina matris içerisinde tamamen çözünerek %100 katı çözelti oluştuğu görülmüştür. ZrO2 ilavesi ile elde edilen kompozitlerin alümina krom oksit numunelerine kırılma tokluğu değerlerinin arttığı tespit edilmiştir. Krom eklenmesi ile sinterlenen numunelerde yoğunluk değeri alüminaya oranla artmıştır. Krom oksit ilavesi ile alümina numunlerin sertlik değerleri önemli derecede yükselirken, kırılma tokluğu değerleri bir miktar azalmıştır. Alümina-zirkonya kompozitine krom oksit ilavesi ile sertlik değerleri önemli ölçüde artarken kırılma tokluğu değerleri ise saf alüminanın değerleri ile neredeyse aynı kalmıştır. Alümina-krom oksitin nispeten eş eksenli, ince taneli bir yapıya sahip olduğu (∼2-5 μm) ve alümina içinde çözünen kromun matris tane boyutunu az miktarda arttırırken, krom ilavesinin anormal tane büyümesini engellediği görülmüştür. Anormal tane büyümesi alümina-zirkonyalı kompozitlerde alümina kromoksit numunelerine göre daha fazla ve boyutları büyük olmasına rağmen kromoksit ilavesi ile azalmış, bazı numunelerde tamamen kaybolmuştur.