Anisotropia no comportamento à fluência de cerâmicas à base de Si3N4 prensadas à quente

Creep behavior anisotropy of hot pressed Si3N4 based ceramics

Anisotropia no comportamento à fluência de cerâmicas à base de Si₃N₄ prensadas à quente

Creep behavior anisotropy of hot pressed Si₃N₄ based ceramics

C. Santos; K. Strecker; F. Piorino Neto; S. A . Baldacim; O . M. M. Silva; C. R. M. Silva

^IFAENQUIL-DEMAR - Polo Urbo Industrial s/n, Gleba AI-6, Lorena, SP12600-000

^IICTA-IAE/AMR - Pça. Marechal do Ar Eduardo Gomes 50, S. J. Campos, SP 12228-904 [e-mail]

RESUMO

Nesse trabalho foi estudada a anisotropia no comportamento à fluência de cerâmicas de Si₃N₄ prensadas a quente. Quatro tipos de cerâmicas à base de Si₃N₄ foram desenvolvidas, utilizando-se Al₂O₃-CRE₂O₃ ou AlN e CRE₂O₃ como aditivos, em frações volumétricas de 5 e 20%. CRE₂O₃ é um óxido misto de ítrio e terras raras produzido na FAENQUIL. As misturas de pós foram submetidas à prensagem uniaxial a quente, a 1750 °C - 20 MPa. As amostras sinterizadas apresentaram fases cristalinas e microestruturas distintas, e foram submetidas a ensaios por compressão a 1300 °C, sob tensão de 300 MPa. Corpos de prova foram confeccionados nos planos paralelo e perpendicular ao eixo de prensagem a quente, e as taxas de fluência para ambos os planos foram obtidas e correlacionadas. Os resultados demonstraram que as amostras confeccionadas no plano perpendicular ao eixo de prensagem a quente, sofreram maiores deformações que as amostras do plano paralelo. Esse comportamento é devido à orientação dos grãos alinhados com o eixo de aplicação de carga compressiva durante os ensaios de fluência.

Palavras-chave: fluência, Si₃N₄, prensagem a quente, anisotropia.

ABSTRACT

In this work the anisotropy of the creep behavior in hot pressed Si₃N₄ ceramics was evaluated. Four different Si₃N₄ ceramics were developed, using Al₂O₃-CRE₂O₃ or AlN e CRE₂O₃ as sintering aids. Specimens were hot pressed at 1750 °C - 20 MPa. The sintered specimens show different crystalline phases and microstructures, and were submitted to compressive creep tests at 1300 °C and stress of 300 MPa. Specimens in the parallel and perpendicular plane to the hot pressing axis were tested and the creep rates and strain were correlated as a function to the plane analyzed. The results show the influence of anisotropy on the creep behavior, related to the orientation of the grains, activating the rotation of the grains by viscous flow of the intergranular phase.

Keywords: creep, hot-pressing, anisotropy.

INTRODUÇÃO

As aplicações mais nobres de cerâmicas à base de nitreto de silício (Si₃N₄) exigem resistência mecânica e estabilidade dimensional em temperaturas elevadas. Assim, resistência à fluência é uma propriedade a ser conhecida e entendida, pois é dela que resulta o sucesso desse material em serviço [1-3].

O Si₃N₄ é um material cerâmico que apresenta ligações químicas majoritariamente covalentes [1]. Essa característica é responsável pela dificuldade em sua sinterização, que por conseqüência, dificulta a redução do nível de porosidade durante o processo de sinterização. Visando minimizar as dificuldades de densificação desse material durante a sinterização, é comum a utilização de aditivos que, associados à SiO₂ presente na superfície das partículas de Si₃N₄, fundem-se em temperaturas inferiores às de sinterização, formando uma fase líquida que facilita os processos difusionais e, por conseqüência, reduz o nível de porosidade dos corpos sinterizados.

Uma outra técnica utilizada para melhorar a qualidade dos produtos sinterizados, é a aplicação de pressões externas no material durante a sinterização. Um exemplo desse processo é a prensagem uniaxial à quente [4-6]. Nesse processo, cerâmicas de alta densidade relativa e com microestrutura de grãos mais homogênea, são obtidas, utilizando-se quantidades reduzidas de aditivos, em tempos e temperaturas inferiores ao processo de sinterização normal.

O alinhamento de grãos no plano perpendicular à direção de aplicação de pressão é característica desse processo, devido particularmente, à aplicação de esforços exclusivamente uniaxiais de aplicação de carga. Isso acarreta em anisotropia das propriedades características do material [5, 7], sendo, em alguns casos, um inconveniente que deve ser estudado, e o grau de anisotropia das propriedades desses materiais, deve ser determinado.

Nesse trabalho, a resistência à fluência a 1300 °C, de cerâmicas de Si₃N₄ prensado à quente, foi determinada. A fluência desses materiais foi avaliada em planos paralelos e perpendiculares à direção de prensagem à quente, visando determinar o grau de anisotropia apresentado pelo material, com relação a citada propriedade.

MATERIAIS E MÉTODOS

Processamento

Os materiais utilizados nesse trabalho foram pós de alta pureza de a-Si₃N₄ (Grade Fine, H.C.Starck - Alemanha), AlN (Fine, Grade B, H.C.Starck), Al₃O₃ (Tipo CR6, Baikalox-Alemanha) e óxido misto de ítrio e terras raras CRE₂O₃ (DEMAR-FAENQUIL). Foram preparadas duas misturas à base de Si₃N₄-Al₂O₃ -CRE₂O₃ (CALO) ou Si₃N₄-AlN-CRE₂O₃ (CALN). As proporções de cada material nas misturas são apresentadas na Tabela I.

As misturas foram moídas em moinho planetário por 2 h, via úmido, usando bolas de alumina, como meio moedor. As suspensões foram secadas por 12 h a 120 °C, e consequentemente, peneiradas em peneiras de até 60 mesh. Os pós foram compactados por prensagem uniaxial a frio (50 MPa) e prensagem isostática a frio (300 MPa). Os compactos foram em seguida prensados uniaxialmente a quente a 1750 °C, durante 30 min sob uma pressão de 20 MPa, em atmosfera de N₂, obtendo pastilhas cerâmicas sinterizadas de aproximadamente 25 mm de diâmetro e 7 mm de altura. Essas pastilhas foram retificadas e cortadas, obtendo-se corpos-de-prova de aproximadamente 3 x 3 x 6 mm³. Estes corpos de prova foram cortados, utilizando-se disco diamantado, em seções paralelas e perpendiculares à direção de prensagem a quente, conforme a Fig. 1.

Caracterizações

A densidade relativa das amostras sinterizadas foi determinada pelo método de Arquimedes. As fases presentes nas amostras sinterizadas foram avaliadas utilizando difração de raios X.

Para a análise microestrutural, realizada em microscópio eletrônico de varredura (MEV), as amostras foram lixadas, polidas, e as superfícies atacadas quimicamente utilizando NaOH:KOH a 500 °C, por tempos variando entre 1 e 3 min, dependendo da quantidade de fase intergranular. A distribuição de tamanho de grãos e a razão de aspecto foram determinadas no plano perpendicular ao eixo de prensagem à quente utilizando o método proposto em [8], baseada nas medidas de comprimento e largura de 10% do total de grãos, presentes no espaço amostral analisado. Foram avaliados em torno de 1200 grãos, de forma a obter o comprimento, a largura e, consequentemente, a razão de aspecto média e a orientação dos grãos (seguindo esquema de ângulo de grãos apresentado na Fig. 1).

Ensaios de fluência

Nos testes de fluência compressiva, foi utilizado um aparato existente na divisão de Materiais do CTA (AMR-IAE) que consta de forno tubular (EDG F-1500) projetado para operar de forma contínua até 1400 °C com precisão de ± 2 °C, acoplados à máquina de ensaios universal (EMEC-The Electronic and Mechanical Engineering Co. Ltda., Inglaterra, tipo G65- 0,5 ton ). Este aparato já foi utilizado para edição de trabalhos anteriores [9-11]. A Fig. 2 mostra um esquema do equipamento de ensaios de fluência. O sistema de captação de sinais de deformação por fluência compressiva consiste basicamente de um LVDT (Linear Variable Differential Transformer), com sensibilidade de 53,18 mv/V/mm acoplado ao ponto de resistência. A cada deslocamento no corpo de prova, o eixo de transmissão de carga cede, promovendo um deslocamento no eixo do LVDT. A este deslocamento está relacionada uma variação de sinais eletrônicos (contagens) que são transmitidas a uma unidade de processamento de sinais (UPA) e convertidas, junto a um software (ANTARES-BSW), em deslocamentos micrométricos, visando a coleta de dados relativos a deformação dos corpos-de-prova. O sistema de registro de temperatura também segue o mesmo raciocínio da decodificação dos sinais eletrônicos emitidos pelo LVDT, assim, a temperatura no corpo-de-prova também é monitorada durante todo o ensaio, sendo suas informações armazenadas no software ANTARES. Para garantia dos resultados armazenados durante os ensaios, tanto o LVDT quanto os termopares são calibrados.

Os corpos-de-prova foram ensaiados por compressão, a 1300 °C, sob carga de 300 MPa, ao ar, por um período de 70 h contínuas.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Caracterização dos corpos de prova

A Tabela II apresenta os principais resultados que caracterizam os corpos de prova sinterizados, antes dos ensaios de fluência por compressão.

Os resultados indicam que quatro tipos de materiais cerâmicos distintos foram obtidos. As amostras aditivadas com Al₂O₃ (CALO) apresentaram b-Si₃N₄ como única fase cristalina, indicando que não houve formação de solução sólida durante a sinterização. As amostras sinterizadas com AlN (CALN) apresentaram a-SiAlON como fase cristalina, indicando que parte dos aditivos foi consumida na formação de solução sólida de Si₃N₄. Essas cerâmicas apresentaram menores níveis de densificação, justamente devido à dificuldade de sinterização imposta pela redução da quantidade de fase intergranular, ocorrida durante a formação de solução sólida.

Os aspectos microestruturais mais importantes são apresentados na Fig. 3, e resumidos na Tabela III.

Grãos alongados de elevada razão de aspecto são característicos dos materiais CALO5 e 20 e CALN5. Essas observações estão coerentes com as fases cristalinas presentes, majoritariamente composta de b-Si₃N₄. O ângulo médio dos grãos no plano paralelo ao eixo de prensagem à quente (q_(P)) indicam que os grãos estão preferencialmente alinhados nesse plano, desenvolvendo uma textura que resulta em diferença das propriedades mecânicas em função do plano analisado, conforme já demonstrado em trabalho anterior [7] realizado pelo próprio grupo de trabalho.

Comportamento à fluência

Os resultados das taxas de fluência a 1300 °C, sob tensão de 300 MPa, estão resumidos na Tabela IV, e as curvas de fluência são apresentadas na Fig. 4.

Observando a Tabela IV, verifica-se que, considerando que os materiais foram submetidos às mesmas condições de tensão e temperatura, os materiais sinterizados com aditivos à base de Al₂O₃/CRE₂O₃ (CALO) apresentaram resistência à fluência inferior aos cerâmicos sinterizados com AlN/CRE₃O₃ (CALN).

As amostras com Al₂O₃ (CALO) apresentaram em suas análises de raios X apenas a presença de b-Si₃N₄ em sua composição; assim, pode-se considerar que não há consumo de quantidades consideráveis de aditivos durante a sinterização, para formação de solução sólida. Dessa forma, as quantidades relativas de aditivos formaram fases intergranulares amorfas que foram decisivas para os resultados de fluência desses materiais. As amostras com quantidades maiores de aditivos, CALO20 (20 vol.%), apresentaram taxa de fluência de 1,5 x 10^-2 h^-1. Por possuírem quantidades maiores de fase intergranular, essas amostras apresentaram os piores desempenhos em relação à deformação por fluência devido, provavelmente, à oxidação dessa fase intergranular, além do amolecimento dessa fase intergranular, permitindo assim, o movimento relativo dos grãos da matriz b-Si₃N₄ com conseqüente formação de cavidades até a ruptura do material, em tempos muito reduzidos, conforme observados na Fig. 4b. O mecanismo de deslizamento de contornos de grão é freqüentemente observado em cerâmicas à base de Si₃N₄ [11, 12]. Por outro lado, as amostras CALO5 apresentaram maior resistência à fluência que as amostras CALO 20, com taxa de 1,2 x 10^-3 h^-1, devido à menor suscetibilidade à oxidação e menor quantidade de fase intergranular.

Ambas amostras sinterizadas com AlN (CALN5 e CALN20), apresentaram maior resistência à fluência que as amostras CALO, em função principalmente, da formação de a-SiAlONs em sua composição. O consumo de uma quantidade relativamente alta de aditivos para formação dos a-SiAlONs promove uma menor susceptibilidade à oxidação, além da redução da quantidade de fase intergranular. Com isso, esses materiais estão menos sujeitos ao amolecimento da fase intergranular e consequentemente, apresentam maior resistência à fluência que outras cerâmicas à base de Si₃N₄. O aumento de a-SiAlONs na matriz aumenta diretamente a resistência à fluência desses materiais, como pôde ser observado nas amostras CALN5 (10 % de a-SiAlON), que apresentou taxa de fluência de 6,1 x 10^-4 e as amostras CALN20 (100% de a-SiAlON) que apresentaram os melhores resultados, com taxas de fluência de 1,9 x 10^-4 h^-1.

Observando-se a Fig. 4, nota-se que, independentemente do material analisado, todas as amostras ensaiadas no plano N, apresentaram taxas de fluência e, consequentemente, deformações maiores que as amostras ensaiadas no Plano P. Uma possível explicação para esse fenômeno, leva em consideração, que o principal mecanismo de fluência nesses materiais, seja deslizamento de contornos de grão via fluxo viscoso da fase intergranular [11, 12]. Assim, com o amolecimento da fase intergranular, a rotação física dos grãos fica favorecida. Como há um alinhamento mais pronunciado dos grãos no plano paralelo ao eixo de prensagem à quente, durante os ensaios de fluência compressiva das amostras confeccionadas no plano N (Fig. 1b), a rotação dos grãos é mais pronunciada devido ao maior efeito - alavanca resultante dos esforços compressivos sobre esses grãos. No plano P, os grãos já apresentam um grande alinhamento, com ângulo de orientação tendendo à zero, minimizando os efeitos alavanca nesses grãos. Não foi possível correlacionar o grau de anisotropia de fluência dos materiais, com a quantidade de aditivos ou as características microestruturais, porém, é possível identificar o aumento da deformação em função do plano avaliado nos ensaios de fluência.

CONCLUSÕES

Quatro tipos de cerâmicas distintas foram desenvolvidas, utilizando prensagem uniaxial à quente. Os materiais aditivados com A1N, apresentaram a-SiAlON em sua composição. Como conseqüência, esses materiais foram mais resistentes à fluência, independentemente do plano analisado. Todos os materiais apresentaram orientação preferencial dos grãos no plano perpendicular ao eixo de prensagem à quente. Com a aplicação de esforços compressivos durante os ensaios de fluência, observou-se que amostras confeccionadas no plano N (perpendicular ao eixo de prensagem à quente) apresentaram maiores deformações, devido ao alinhamento dos grãos no eixo de aplicação dos esforços compressivos. Assim, o efeito-alavanca realizado nesses grãos resulta em maiores deformações, do que grãos orientados perpendicularmente ao eixo de aplicação de esforços compressivos, durante os ensaios de fluência.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem a Divisão de Materiais do CTA - Centro Técnico Aerospacial, ao Departamento de Engenharia de Materiais (DEMAR'FAENQUIL), e à FAPESP pelo apoio financeiro (Processo 01/08682-6).

Rec. 28/06/2004, Rev. 09/11/2004, Ac. 04/02/2005

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  16 Mar 2006
• Data do Fascículo
  Jun 2005

Histórico

• Recebido
  09 Nov 2004
• Aceito
  04 Fev 2005