Influence of the Y₂O₃ Content and Temperature on the Mechanical Properties of Melt‐Grown Al₂O₃–ZrO₂ Eutectics

Abstract

The effect of Y2O3 content on the flexure strength of melt‐grown Al2O3–ZrO2 eutectics was studied in a temperature range of 25°–1427°C. The processing conditions were carefully controlled to obtain a constant microstructure independent of Y2O3 content. The rod microstructure was made up of alternating bands of fine and coarse dispersions of irregular ZrO2 platelets oriented along the growth axis and embedded in the continuous Al2O3 matrix. The highest flexure strength at ambient temperature was found in the material with 3 mol% Y2O3 in relation to ZrO2(Y2O3). Higher Y2O3 content did not substantially modify the mechanical response; however, materials with 0.5 mol% presented a significant degradation in the flexure strength because of the presence of large defects. They were nucleated at the Al2O3–ZrO2 interface during the martensitic transformation of ZrO2 on cooling and propagated into the Al2O3 matrix driven by the tensile residual stresses generated by the transformation. The material with 3 mol% Y2O3 retained 80% of the flexure strength at 1427°C, whereas the mechanical properties of the eutectic with 0.5 mol% Y2O3 dropped rapidly with temperature as a result of extensive microcracking.

Estudio del eutéctico Al₂O₃-ZrO₂ (3% Y₂O₃) dopado con TiO₂ obtenido por solidificación direccional

“…Furthermore, the measured value for these conditions is the highest value obtained for all the samples in all the conditions. It is an excellent result, exceeding about 50% the highest values reported in the literature (7,9).…”

“…Relationships between growth parameters and Y 2 O 3 amount have been deduced, and it has been demonstrated that care must be carried out to avoid the presence of defects. The most common defects are pores and bands (7,8), which lead to poor mechanical characteristics. From the mechanical point of view, the optimal Y 2 O 3 amount has been established in 3 mol % with respect to ZrO 2 , while the optimal growth velocity has been established in v < 50 mm/h.…”

Comportamiento en fractura de un eutéctico Al₂O₃/YAG crecido por solidificación direccional

“…En los últimos años se ha vuelto la mirada hacia los óxidos cerámicos eutécticos, procesados por solidificación direccional, que constituyen una nueva familia de materiales con una resistencia mecánica superior a alta temperatura y una gran estabilidad térmica (2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)(11)(12)(13)(14)(15). Estos materiales, al tener la composición eutéctica, solidifican como compuestos in-situ con una microestructura ordenada que puede variar desde organizaciones fibrosas o laminares a estructuras de colonias o redes interpenetradas.…”

Propiedades mecánicas de cerámicos eutécticos Al₂O₃-ZrO₂ (Y₂O₃) y Al₂O₃-YAG procesados por solidificación direccional

“…Estas barras se colocaron dentro de la cámara de crecimiento y se fundieron localmente con la radiación de un láser de CO 2 . La zona fundida se desplazó a lo largo de la barra permitiendo la solidificación direccional siguiendo el método descrito anteriormente [10]. Con objeto de obtener barras cerámicas con diámetros comprendidos entre 1.2 y 1.6 mm, el crecimiento se llevó a cabo en varias etapas incluyendo sucesivas pasadas de reducción de diámetro.…”

“…Sin embargo, la existencia de fuertes tensiones residuales de compresión en los granos de Al 2 O 3 incrementó la resistencia a fractura. Una investigación previa de los mecanismos de rotura de este eutéctico [10] mostró que dos (o más) grietas paralelas a menudo se nucleaban a partir de las esquinas de las indentaciones Vickers. Estas grietas crecían una determinada distancia hasta que una de ellas se hacía dominante y el resto se paraban en los granos de Al 2 O 3 .…”