Effects of TiB2 and La2O3 Particle Reinforcements on the Tungsten Matrix Composites Fabricated by Mechanical Alloying and Activated Sintering

Abstract

In this study, 1 wt.% Ni activated tungsten matrix composites (W1Ni) reinforced with different amounts of TiB₂ and La₂O₃ particles were fabricated using mechanical alloying, cold pressing and pressureless sintering methods. In this scope, different amounts of TiB₂ (3 and 4 wt.%) and La₂O₃ (0.5 and 1 wt.%) particles were incorporated into W1Ni matrix and mechanical alloying process was conducted for different durations (6 and 12 h). As-blended and mechanically alloyed powders were cold pressed using a uniaxial hydraulic press and green bodies were sintered under Ar/H₂ gas flowing condition. The physical, microstructural and hardness properties of cold pressed and sintered W1Ni composites reinforced with different amounts of TiB₂ and La₂O₃ particles were investigated. The addition of TiB₂ and La₂O₃ reinforcements led an increase in the density and/or microhardness values of the composites. It was observed that mechanical alloying time had a significant effect on the properties and microstructure of the sintered products. The combined usage of 3 or 4 wt.% TiB₂ with 1 wt.% La₂O₃ reinforcement resulted in the formation of W₂B phase in addition to the dominant W phase after sintering. The highest relative density and microhardness values were obtained as % 92.14 and 6.27±1.54 GPa, respectively, for the W1Ni-3 wt.% TiB₂-1 wt.% La₂O₃ composite after mechanical alloying for 6 h, cold pressing and sintering.

Keywords

• Tungsten matrix composites,Titanium diboride,Lanthanum oxide,Mechanical alloying,Activated sintering

TiB2 ve La2O3 Partikül Takviyelerinin Mekanik Alaşımlama ve Aktifleştirilmiş Sinterleme ile Üretilen Volfram Matrisli Kompozitler Üzerindeki Etkisinin İncelenmesi

Abstract

Bu çalışmada, farklı miktarlarda TiB₂ ve La₂O₃ partikülleri ile takviye edilmiş ve ağırlıkça % 1 Ni ile aktifleştirilmiş volfram matrisli (W1Ni) kompozitler mekanik alaşımlama, soğuk presleme ve basınçsız sinterleme yöntemleri kullanılarak üretilmiştir. Bu kapsamda, farklı miktarlardaki TiB₂ (ağ.% 3 ve 4) ve La₂O₃ (ağ.% 0,5 ve 1) partikülleri W1Ni matris içerisine katkılandırılmış ve farklı sürelerde (6 ve 12 sa) mekanik alaşımlama prosesi uygulanmıştır. Karıştırılmış ve mekanik alaşımlanmış tozlar tek eksenli hidrolik pres kullanılarak soğuk preslenmiş ve pekiştirilen bünyeler Ar/H₂ gaz akış şartlarında sinterlenmiştir. Farklı miktarlardaki TiB₂ ve La₂O₃ partikülleri ile takviye edilmiş, preslenmiş ve sinterlenmiş W1Ni matrisli kompozitlerin fiziksel, mikroyapısal ve mikrosertlik özellikleri incelenmiştir. TiB₂ veya La₂O₃ katkılarının, numunelerin yoğunluk ve/veya mikrosertlik değerlerinde artışa neden olduğu saptanmıştır. Mekanik alaşımlama süresinin, sinter ürün özelliklerinde ve mikroyapıda önemli bir etkisinin olduğu gözlemlenmiştir. Ağ.% 3 veya 4 miktarındaki TiB₂ ve ağ.% 1 miktarındaki La₂O₃ katkılarının birlikte kullanımı, sinterlenme sonrasında, baskın W fazına ek olarak W₂B faz oluşumuna neden olmuştur. En yüksek rölatif yoğunluk ve mikrosertlik değerleri sırasıyla % 92,14 ve 6,27±1,54 GPa olup, 6 sa mekanik alaşımlama uygulanmış, preslenmiş ve sinterlenmiş olan W1Ni-ağ.% 3 TiB₂-ağ.%1 La₂O₃ kompozisyonu için elde edilmiştir.

Keywords

• Volfram matrisli kompozitler,Titanyum diborür,Lantanyum oksit,Mekanik alaşımlama,Aktifleştirilmiş sinterleme

References

1. [1] E. Lassner and W. D. Schubert, Tungsten: Properties, Chemistry, Technology of the Element, Alloys and Chemical Compounds, New York: Kluwer Academic, 1999.
2. [2] W. Song and Y. Zhou, “Thermomechanical properties of TiC particle-reinforced tungsten composites for high temperature applications”, Int. J. Refract. Met. Hard Mater., vol. 21, pp. 1-12, March 2003.
3. [3] A. Genç, S. Coşkun and M. L. Öveçoğlu, “Microstructural characterizations of Ni activated sintered W–2 wt% TiC composites produced via mechanical alloying”, J. Alloys Compd., vol. 497, no 1-2, pp. 80-89, May 2010.
4. [4] T. Tanabe, M. Wada, T. Ohgo, V. Philipps, M. Rubel, A. Huber, J. Seggernd, K. Ohyae, A. Pospieszczykd, B. Schweerd, Textor team, “Application of tungsten for plasma limiters in TEXTOR”, J. Nucl. Mater., vol. 283-287, pp. 1128-33, December 2000.
5. [5] M. A. Monge, M. A. Auger, T. Leguey, Y. Ortega, L. Bolzoni, E. Gordo and R. Parejaa, “Characterization of novel W alloys produced by HIP”, J. Nucl. Mater., vol. 388, pp. 613-7, April 2009.
6. [6] D. Ağaoğulları, Ö. Balcı, H. Gökçe, M. L. Öveçoğlu and İ. Duman, “Comparative investigations of the activated sintered W-1 wt.% Ni composites reinforced with various oxide and boride particles”, Int. J. Refract. Met. Hard Mater., vol. 41, pp. 577-584, November 2013.
7. [7] C. Li and R. M. German, “The properties of tungsten processed by chemically activated sintering”, Metall. Trans. A, vol. 14, no 10, pp. 2031-2041, October 1983.
8. [8] R. M. German and Z. A. Munir, “Enhanced low-temperature sintering of tungsten”, Metall. Mater. Trans. A, vol. 7, pp. 1873-1877, December 1976.

9. [9] H. W. Hayden and J. H. Brophy, “The activated sintering of tungsten with Group VIII elements”, J. Electrochem. Soc., vol. 110, no 7, pp. 805-810, February 1963.
10. [10] S. W. Kim, S. I. Lee, Y. D. Kim and I. H. Moon, “High temperature compressive deformation and fracture characteristics of the activated sintered W-Ni compacts”, Int. J. Refract. Met. Hard Mater., vol. 21, pp. 183-192, May 2003.
11. [11] Y. Chen, Y. C. Wu, F. W. Yu and J. L. Chen, “Microstructure and mechanical properties of tungsten composites co-strengthened by dispersed TiC and La2O3 particles”, Int. J. Refract. Met. Hard Mater., vol. 26, pp. 525-529, November 2008.
12. [12] T. Zhang, Y. Wang, Y. Zhou and G. Song, “Effect of heat treatment on microstructure and mechanical properties of ZrC particles reinforced tungsten-matrix composites”, Mater. Sci. Eng. A, vol. 512, no 1-2, pp. 19-25, June 2009.
13. [13] A. Genç, S. Coşkun and M. L. Öveçoğlu, “Fabrication and properties of mechanically alloyed and Ni activated sintered W matrix composites reinforced with Y2O3 and TiB2 particles”, Mater. Charact., vol. 61, no 7, pp. 740-748, July 2010.
14. [14] H. Gökçe, Ö. Balcı, D. Ağaoğulları, Ö. U. Demirkan, A. Genç, M. L. Öveçoğlu and İ. Duman, “Characterization investigations of W–Ni matrix composites reinforced with TiB2 and La2O3”, Acta Phys. Pol. A, vol. 123, no 2, pp. 309-11, April 2013.
15. [15] D. Ağaoğulları, Ö. Balcı, Ö. U. Demirkan, H. Gökçe, A. Genç, M. L. Öveçoğlu and İ. Duman, “Development of mechanically alloyed and sintered W-1 wt.% Ni matrix composites reinforced with TiB2”, Solid State Phenomena, vol. 194, pp. 194-198, November 2013.
16. [16] Y. M. Kim, K. H. Lee, E. P. Kim, D. Cheong and S. H. Hong, “Fabrication of high temperature oxides dispersion strengthened tungsten composites by spark plasma sintering process”, Int. J. Refract. Met. Hard Mater., vol. 27, pp. 842-846, September 2009.
17. [17] Ö. Balcı, Ö. U. Demirkan, D. Ağaoğulları, H. Gökçe, A. Genç, M. L. Öveçoğlu and İ. Duman, “Effects of La2O3 addition on the microstructure and properties of activated sintered W-Ni compacts”, Solid State Phenomena, vol. 194, pp. 217-221, March 2013.
18. [18] M. Mabuchi, K. Okamoto, N. Saito, T. Asahina and T. Igarashi, “Deformation behavior and strengthening mechanisms at intermediate temperatures in W-La2O3”, Mater. Sci. Eng. A, vol. 237, pp. 241-249, September 1997.
19. [19] J. Castaining and P. Costa, Boron and Refractory Boride, 1st edition, New York: Springer-Verlag, Berlin 1977.
20. [20] R. G. Munro, “Material properties of titanium diboride”, J. Res. Nat. Inst. Stand., vol. 105, no 5, pp. 709-720, July 2000.
21. [21] R. M. German, Powder Metallurgy Science, 2nd editon, NJ: Metal Powder Industries Federation, Princeton, 1994.
22. [22] C. Suryanarayana, “Mechanical alloying and milling”, Prog. Mater Sci., vol. 46, no 1-2, pp. 1-184, January 2001.
23. [23] D. Ağaoğulları, Ö. Balcı, M. L. Öveçoğlu, “Effect of milling type on the microstructural and mechanical properties of W-Ni-ZrC-Y2O3 composites”, Ceram. Int., vol. 43, no 9, pp. 7106-7114, June 2017.