WC İLAVESİNİN VE SICAK PRESLEMENİN B4C-TiB2 KOMPOZİTLERİNİN YÖNE BAĞLI MİKROYAPI VE MEKANİK ÖZELLİKLERİNE OLAN ETKİLERİ

Year 2025, Volume: 33 Issue: 2, 1854 - 1864, 22.08.2025

Umut Savacı , Servet Turan

https://doi.org/10.31796/ogummf.1664220

Abstract

Bor karbür (B4C), yüksek sertlik ve düşük yoğunluk gibi üstün özellikleri sayesinde kesici takımlar ve zırh gibi alanlarda kullanılan önemli bir seramik malzemedir. Ancak, basınçsız sinterleme ile saf B₄C'nin yoğunlaştırılması zor olup, ilave edilen katkı maddeleri ile bu süreç iyileştirilmektedir. Ayrıca, elektriksel iletkenliğin artırılmasıyla da tel erozyon gibi işleme yöntemleriyle daha kolay şekillendirilebilir hale getirilebilmesi mümkün olmaktadır. Böylelikle saf B4C’nin sahip olduğu dezavantajlar, katkı maddeleriyle elde edilen seramik kompozitlerin üretilmesiyle ortadan kaldırılmaya çalışılmaktadır. B₄C seramiklerinin yüksek yoğunlukta üretilmesi için ayrıca basınç destekli sinterleme yöntemleri tercih edilmektedir. Ancak bu yöntemler düşük sıcaklıklarda yüksek yoğunluk elde edilebilmesini mümkün kılsa da mikroyapıda basınç yönüne bağlı olarak kristalografik yönelime sebep olabilmektedir. Bu çalışmada farklı öğütme yöntemlerinin ve WC ilavesinin sıcak presleme yöntemiyle üretilmiş B4C-TiB2 seramik kompozitlerinin mikroyapısına ve mekanik özelliklerine olan etkileri üretim esnasında uygulanan basınç yönüne bağlı olarak araştırılmıştır. Bu amaçla geleneksel mikroyapı karakterizasyon araçlarının yanı sıra gelişmiş mikroskopi teknikleri de kullanılarak mikroyapısal incelemeler gerçekleştirilmiştir. Ayrıca yapılan detaylı analizler ile sıcak presleme sırasında oluşan katı çözelti fazları araştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar, toz hazırlama yöntemine ve başlangıç kompozisyonuna bağlı olarak sıcak presleme sonrasında mikroyapıda % 6 ila % 10 arasında değişen oranlarda kristalografik yönlenme mevcut olduğunu ve (Ti0,9W0,1)B2 katı çözelti fazlarının meydana geldiğini göstermektedir. Mikroyapısal incelemelerin yanı sıra elde edilen örneklerin yöne bağlı mekanik özellikleri araştırılmış olup, meydana gelen yönlenme miktarının mekanik özelliklerde anizotropik bir davranışa yol açmadığı tespit edilmiştir.

Keywords

Elektron Mikroskopisi , Devinimli elektron kırınımı , Oryantasyon haritalama , Seramik kompozit , Bor karbür

Supporting Institution

Bu çalışma Anadolu Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Komisyonu tarafından kabul edilen 1504F168 nolu proje kapsamında desteklenmiştir.

Project Number

Anadolu Üniversitesi BAP: 1504F168

Thanks

Yazarlar örneklerin temini için Prof. Dr. Diletta Sciti’ye, FIB ile örnek hazırlama sürecindeki desteği için Doç. Dr. Meltem Sezen Özkoç’a ve Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu (TÜBİTAK), Bilim İnsanı Destek Programları Başkanlığı’na (BİDEB) sağlamış oldukları 2211 Yurt İçi Doktora Burs programından ötürü teşekkür eder.

EFFECTS OF WC ADDITION AND HOT PRESSING ON THE DIRECTIONAL MICROSTRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF B4C-TiB2 COMPOSITES

Abstract

Boron carbide (B4C) is an important ceramic material used in applications such as cutting tools and armor due to its superior properties, including high hardness and low density. However, densification of pure B₄C through pressureless sintering is challenging, and this process is improved by adding dopants. Additionally, increasing electrical conductivity allows for easier shaping using machining methods such as EDM. Thus, the disadvantages of pure B4C are mitigated by producing ceramic composites with additive phases. To achieve high-density B4C ceramics, pressure-assisted sintering methods are preferred. Although these methods enable high density at lower temperatures, they can also cause crystallographic orientation in the microstructure depending on the direction of applied pressure. In this study, the effects of different milling methods and WC addition on the microstructure and mechanical properties of B4C - TiB2 ceramic composites produced via hot pressing were investigated based on the applied pressure direction during production. For this purpose, in addition to conventional microstructural characterization tools, advanced microscopy techniques were used for microstructural analyses. Furthermore, detailed analyses were conducted to examine the solid solution phases formed during hot pressing. The obtained results indicate that, depending on the powder preparation method and initial composition, crystallographic orientation varies between 6% and 10% in the microstructure after hot pressing, and (Ti0.9W0.1)B2 solid solution phases are formed. In addition to microstructural analyses, the direction-dependent mechanical properties of the obtained samples were examined, revealing that the degree of orientation did not lead to anisotropic behavior in mechanical properties.

Keywords

Electron Microscopy , Precession electron diffraction , Orientation imaging , Ceramic composite , Boron carbide

Project Number

Anadolu Üniversitesi BAP: 1504F168

References

• Aygüzer Yaşar, Z., Celik, A. M. ve Haber, R. A. (2022). Improving fracture toughness of B4C – SiC composites by TiB2 addition. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 108. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2022.105930
• Baharvandi, H. R. ve Hadian, A. M. (2008). Pressureless sintering of TiB2-B4C ceramic matrix composite. Journal of Materials Engineering and Performance, 17 (6), 838-841. doi: https://doi.org/10.1007/s11665-007-9182-4
• Baskut, S., Ozer, S. C. ve Turan, S. (2022). The effects of in-situ formed phases on the microstructure, mechanical properties and electrical conductivity of spark plasma sintered B4C containing Y2O3. Journal of the European Ceramic Society, 42 (4), 1272-1281. doi: https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.11.054
• Cinar, A., Baskut, S., Seyhan, A. T. ve Turan, S. (2018). Tailoring the properties of spark plasma sintered sialon containing graphene nanoplatelets by using different exfoliation and size reduction techniques: Anisotropic mechanical and thermal properties. Journal of the European Ceramic Society, 38 (4), 1299-1310. doi: https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2017.10.004
• Failla, S., Melandri, C., Zoli, L., Zucca, G. ve Sciti, D. (2018). Hard and easy sinterable B4C-TiB2-based composites doped with wc. Journal of the European Ceramic Society, 38 (9), 3089-3095. doi: https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2018.02.041
• Gunjishima, I., Akashi, T. ve Goto, T. (2002). Characterization of directionally solidified B4C-TiB2 composites prepared by a floating zone method. MATERIALS TRANSACTIONS, 43 (4), 712-720. doi: https://doi.org/10.2320/matertrans.43.712
• Hayun, S., Paris, V., Dariel, M. P., Frage, N. ve Zaretzky, E. (2009). Static and dynamic mechanical properties of boron carbide processed by spark plasma sintering. Journal of the European Ceramic Society, 29 (16), 3395-3400. doi: https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2009.07.007
• He, P., Dong, S., Kan, Y., Zhang, X. ve Ding, Y. (2016). Microstructure and mechanical properties of B4C –TiB2 composites prepared by reaction hot pressing using Ti3SiC2 as additive. Ceramics International, 42 (1), 650-656. doi: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2015.08.160
• Hu, J., Gu, H., Chen, Z., Tan, S., Jiang, D. ve Rühle, M. (2007). Core–shell structure from the solution–reprecipitation process in hot-pressed aln-doped sic ceramics. Acta Materialia, 55 (16), 5666-5673. doi: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2007.06.037
• Ji, W., Rehman, S. S., Wang, W., Wang, H., Wang, Y., Zhang, J., . . . Fu, Z. (2015). Sintering boron carbide ceramics without grain growth by plastic deformation as the dominant densification mechanism. Scientific Reports, 5, 15827. doi: https://doi.org/10.1038/srep15827
• Lotgering, F. K. (1959). Topotactical reactions with ferrimagnetic oxides having hexagonal crystal structures—i. Journal of Inorganic and Nuclear Chemistry, 9 (2), 113-123. doi: https://doi.org/10.1016/0022-1902(59)80070-1
• Rauch, E. F. ve Duft, A. (2005). Orientation maps derived from tem diffraction patterns collected with an external ccd camera. Materials Science Forum, 495-497, 197-202. doi: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.495-497.197
• Rubink, W. S., Ageh, V., Lide, H., Ley, N. A., Young, M. L., Casem, D. T., . . . Scharf, T. W. (2021). Spark plasma sintering of B4C and B4C-TiB2 composites: Deformation and failure mechanisms under quasistatic and dynamic loading. Journal of the European Ceramic Society, 41 (6), 3321-3332. doi: https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.01.044
• Sahin, F. C., Apak, B., Akin, I., Kanbur, H. E., Genckan, D. H., Turan, A., . . . Yucel, O. (2012). Spark plasma sintering of B4C–SiC composites. Solid State Sciences, 14 (11-12), 1660-1663. doi: https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2012.05.037
• Sigl, L. S. (1998). Processing and mechanical properties of boron carbide sintered with tic. Journal of the European Ceramic Society, 18 (11), 1521-1529. doi: https://doi.org/10.1016/S0955-2219(98)00071-5
• Silvestroni, L., Failla, S., Gilli, N., Melandri, C., Savacı, U., Turan, S. ve Sciti, D. (2021). Disclosing small scale length properties in core-shell structured B4C-TiB2 composites. Materials & Design, 197. doi: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109204
• Skorokhod, V. ve Krstic, V. D. (2000). High strength-high toughness B4C-TiB2 composites. Journal of Materials Science Letters, 19 (3), 237-239. doi: https://doi.org/10.1023/a:1006766910536
• Sun‐Yong, A. ve Shinhoo, K. (2000). Formation of core/rim structures in Ti(C,N)‐WC‐Ni cermets via a dissolution and precipitation process. Journal of the American Ceramic Society, 83 (6), 1489-1494. doi: https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.2000.tb01415.x
• Wang, A., Hu, L., He, Q., Liu, C., Tian, T., Zhang, Z., . . . Fu, Z. (2022). Electrical discharge machining of boron carbide-graphene nanoplatelets composites. Journal of the European Ceramic Society, 42 (3), 850-859. doi: https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.11.018
• Xue, J.-X., Liu, J.-X., Xie, B.-H. ve Zhang, G.-J. (2011). Pressure-induced preferential grain growth, texture development and anisotropic properties of hot pressed hexagonal boron nitride ceramics. Scripta Materialia, 65 (11), 966-969. doi: https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2011.08.025
• Yamada, S., Hirao, K., Yamauchi, Y. ve Kanzaki, S. (2003). High strength B4C–TiB2 composites fabricated by reaction hot-pressing. Journal of the European Ceramic Society, 23 (7), 1123-1130. doi: https://doi.org/10.1016/S0955-2219(02)00274-1