Χύτευση ακριβείας και διεπιφανειακά φαινόμενα σε συστήματα κεραμικών σε επαφή με τήγματα μετάλλων

Abstract

Engineering ceramics are being considered for technological applications due to their strong and sometimes unique properties. The pronounced evolution in the quality of advanced engineering ceramics has stimulated interest in the combination of ceramics with metallic phases for ceramic joining purposes or for the manufacturing of composite materials with enhanced properties. In all this cases the surface and interfacial energies of the materials or the materials systems used, as well as the wetting and bonding phenomena at the interface, play a key role in obtaining materials with the desired properties and microstructure. The aim of the present work is the study of adhesion and interfacial properties in ceramic oxide / liquid metal systems and particularly in systems of polycrystalline ceria (CeO2) in contact with liquid metals. At the first part of this work, in framework of the PENED 2001 programs, the investment casting process was studied at the stages where fracture of the ceramic shell can occur (dewaxing, sintering, casting of liquid metal) in order to optimize the conditions of the production procedure. Moreover, the interactions at the ceramic shell / liquid metal interface which can affect the shape and dimensions of the final cast product were investigated. At the second part of the present work the multiphase equilibration technique has been used for the determination of the equilibrium angles that develop at the interphase boundaries of a solid-liquid-vapor system and the surface and interfacial energies in polycrystalline CeO2 and CeO2/Cu systems were determined in argon atmosphere at the temperature range 1473-1773 K. Linear temperature functions were obtained by extrapolation, for the surface energy and the grain-boundary energy of the ceramic, as well as for the interfacial energy and the work of adhesion of the CeO2/Cu system. Grain-boundary grooving studied on polished surfaces of CeO2 annealed in argon atmosphere at the same temperature range has shown that surface diffusion was the dominant mechanism for the mass transport and the surface diffusion coefficient has been estimated. The Vickers indentation technique was used for the estimation of the surface energy of polycrystalline cerium oxide at room temperature. The corresponding fracture toughness of CeO2 was determined. From wetting experiments of ceria in contact with various polar liquids at room temperature the contribution of intermolecular Van der Waals forces (dispersion and polar forces) at the surface energy of polycrystalline CeO2 has been estimated. The combination of literature and experimental data of interfacial energies and contact angles in non-wetting and non-reactive ceramic oxide/liquid metal systems where limited solubility of oxygen of the ceramic oxides into the liquid metals has no effect on the interfacial properties, has led to an empirical relationship which correlates at a given temperature the surface energy of the oxides with the contact angle and the surface energy of the liquid metal. This relationship allows either the calculation of the surface energy of an oxide from known values of the surface energy of a liquid metal and the contact angle, or conversely, the estimation of the contact angle value, as well as the work of adhesion, for known surface energy of the oxide. The formulated empirical relationship has been applied to additional non-wetting and non-reactive systems of oxides in contact with liquid metals and the results showed good agreement with literature data. Furthermore the relationship was used for the determination of the surface energy of polycrystalline cerium oxide from wetting experiments in contact with liquid Sn.

Τα τελευταία χρόνια παρατηρείται μια ραγδαία αύξηση της χρήσης των προηγμένων κεραμικών σε τεχνολογικές εφαρμογές και στην παρασκευή διαφόρων τεχνολογικών προϊόντων, λόγω των σημαντικών ιδιοτήτων που παρουσιάζουν. Επιπλέον, μεγάλο ενδιαφέρον παρουσιάζει και ο συνδυασμός κεραμικών με μέταλλα τόσο σε τεχνικές συνένωσης όσο και στην παρασκευή σύνθετων υλικών κεραμικού / μετάλλου (κεραμομεταλλικών) με πυροσυσσωμάτωση (sintering) παρουσία ή μη ρευστής μεταλλικής φάσης, με βελτιωμένες ιδιότητες. Σημαντικό ρόλο στη μικροδομή και τις ιδιότητες των υλικών αυτών παίζουν τα φαινόμενα διαβροχής και η ισχύς του δεσμού που αναπτύσσεται στη διεπιφάνεια κεραμικού / μετάλλου, καθώς και οι επιφανειακές και διεπιφανειακές ενέργειες των υλικών ή των συστημάτων των υλικών που βρίσκονται σε επαφή. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη της συνάφειας και των διεπιφανειακών ιδιοτήτων σε συστήματα κεραμικών οξειδίων σε επαφή με ρευστές μεταλλικές φάσεις και ιδιαίτερα σε συστήματα του κεραμικού οξειδίου του δημητρίου σε επαφή με ρευστά μέταλλα. Στο πρώτο μέρος της εργασίας, στα πλαίσια του προγράμματος ΠΕΝΕΔ 2001 με τίτλο «ΧΥΤΕΥΣΗ ΑΚΡΙΒΕΙΑΣ: Πυροσυσσωμάτωση (sintering) κεραμικών καλουπιών και διεπιφανειακές τους αλληλεπιδράσεις σε επαφή με ρευστά κράματα μετάλλων», πραγματοποιήθηκε μία μελέτη της παραγωγικής διαδικασίας παρασκευής μεταλλικών αντικειμένων με τη μέθοδο της χύτευσης ακριβείας, η οποία οδήγησε στη βελτιστοποίηση των συνθηκών στα στάδια όπου είναι δυνατόν να δημιουργηθούν και να αναπτυχθούν ρωγμές στο κεραμικό κέλυφος (αποκέρωση, έψηση, χύτευση), ενώ επιπλέον διερευνήθηκαν οι διεπιφανειακές αλληλεπιδράσεις κεραμικού κελύφους / ρευστών μεταλλικών φάσεων κατά τη χύτευση, οι οποίες επηρεάζουν το σχήμα και τις διαστάσεις του τελικού προϊόντος. Στο δεύτερο μέρος της εργασίας, προσδιορίσθηκε η θερμοκρασιακή εξάρτηση της επιφανειακής ενέργειας και της ενέργειας ορίων κόκκων του πολυκρυσταλλικού οξειδίου του δημητρίου (CeO2) σε υψηλές θερμοκρασίες, καθώς και η διεπιφανειακή ενέργεια και το έργο συνάφειας σε συστήματα του κεραμικού CeO2 σε επαφή με ρευστό Cu, με εφαρμογή της τεχνικής εξισορρόπησης πολλαπλών φάσεων. Παράλληλα, από τη μελέτη της ανάπτυξης εσοχών στα όρια κόκκων του πολυκρυσταλλικού CeO2 προέκυψε ότι ο κυρίαρχος μηχανισμός μεταφοράς μάζας κατά τη θερμική διάβρωση του κεραμικού είναι η επιφανειακή διάχυση και προσδιορίσθηκε ο αντίστοιχος συντελεστής επιφανειακής διάχυσης στο θερμοκρασιακό διάστημα 1473-1773Κ. Χρησιμοποιώντας τη μέθοδο αποτυπώματος σκληρομέτρου υπολογίσθηκε ο συντελεστής δυσθραυστότητας του κεραμικού CeO2 και προσδιορίσθηκε η επιφανειακή ενέργεια του οξειδίου του δημητρίου σε θερμοκρασία δωματίου. Η συνεισφορά των ασθενών διαμοριακών δυνάμεων Van der Waals (πολικών και διασποράς) στην επιφανειακή ενέργεια του πολυκρυσταλλικού CeO2 σε θερμοκρασία δωματίου προσδιορίσθηκε από πειράματα διαβροχής του κεραμικού σε επαφή με διάφορα πολικά υγρά. Με χρήση ενός συνδυασμού βιβλιογραφικών και πειραματικών δεδομένων σχετικά με τις επιφανειακές ενέργειες και τις γωνίες επαφής σε συστήματα κεραμικών οξειδίων σε επαφή με διάφορα ρευστά μέταλλα εξήχθη μια εμπειρική σχέση η οποία, σε δεδομένη θερμοκρασία, συνδέει άμεσα την επιφανειακή ενέργεια των στερεών οξειδίων με την επιφανειακή ενέργεια των ρευστών μετάλλων και τη γωνία επαφής. Μέσω αυτής της σχέσης είναι δυνατή η εκτίμηση της επιφανειακής ενέργειας ενός στερεού οξειδίου ή της γωνίας επαφής σε μη διαβρέχοντα και μη αντιδρώντα συστήματα κεραμικών οξειδίων / ρευστών μετάλλων, όπου η μερική διαλυτοποίηση οξυγόνου του κεραμικού μέσα στο ρευστό μέταλλο δεν επηρεάζει τις διεπιφανειακές ιδιότητες του συστήματος. Η σχέση αυτή επαληθεύθηκε για διάφορα συστήματα κεραμικών οξειδίων / ρευστών μετάλλων και επιπλέον εφαρμόσθηκε για τον προσδιορισμό της επιφανειακής ενέργειας του πολυκρυσταλλικού οξειδίου του δημητρίου από τα αποτελέσματα πειραμάτων διαβροχής στο σύστημα CeO2 σε επαφή με ρευστό Sn.