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Potential of SiC multilayer ceramics for high temperature ... et al..pdf · Politecnico Di Torino...

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Politecnico Di Torino – Dipartimento di Scienza dei Materiali ed Ingegneria Chimica EUROMAT 2005 Praha Euromat 2005 Praha, 4-8 September 2005 Potential of SiC multilayer ceramics for high temperature applications in oxidising environment M. Pavese , P. Fino, A. Ortona*, C. Badini * FN S.p.a. Nuove Tecnologie e Servizi Avanzati, S.S 35bis dei Giovi, 15062 Alessandria.
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Politecnico Di Torino – Dipartimento di Scienza dei Materiali ed Ingegneria Chimica EUROMAT 2005 Praha

Euromat 2005

Praha, 4-8 September 2005

Potential of SiC multilayer ceramics for high temperature applications in oxidising

environment

M. Pavese, P. Fino, A. Ortona*, C. Badini

* FN S.p.a. Nuove Tecnologie e Servizi Avanzati, S.S 35bis dei Giovi, 15062 Alessandria.

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Politecnico Di Torino – Dipartimento di Scienza dei Materiali ed Ingegneria Chimica EUROMAT 2005 PrahaPolitecnico Di Torino – Dipartimento di Scienza dei Materiali ed Ingegneria Chimica

Ceramic materials are suitable for applications at high temperature but their use is strongly limited by their brittle

mechanical behaviour.

.Toughened ceramic matrix composites

Long fibre reinforced composites

Multilayered ceramics

• High costs• Need protection

coating to safe the interface properties

• Lower costs• Toughened

mechanism must be improved

Why multilayers?

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Multilayer preparation

A slurry is produced, containing: → fine SiC powder (15 m2/g)→ solvents→ binder→ additives

mixing

powder

solvents

tapecasting

additives binders

Produced in collaboration with the Italian industry FN S.p.A.by the Tape Casting technique

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Multilayer preparation

Phases: Casting of the slurry on a Mylar film

Levelling with a doctor blade

Slow evaporation of the solvent (48 h)

Tape Casting apparatus

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Multilayer preparation

“green” layerdetachment

After solvent evaporation the layers can be easily handled

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Multilayer preparation

wrapping around a mandrel→ tubular specimens

roughnessprofile

The roughness profile on the two faces of the tape was measured after sintering

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Multilayer preparation

Thermal treatment:→ Slow heating up to 500 °C (binder decomposition)→ Sintering at 2180 °C in inert atmosphere

During heat treatment (a) there is the risk of:→ bubbles (b)→ delaminations (c)

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Oxidation behaviour: TGA analysis

98

98,5

99

99,5

100

300 500 700 900 1100 1300 1500temperature [°C]

wei

ght [

%]

after oxidationbefore oxidation

Possible reactions: SiC + O2 → SiO2 + CO2 → weight increase

C + O2 → CO2 → weight decrease

CO2 formation

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Oxidation behaviour

phases:

before heat treatment: SiC (different polytypes)

after treatment at 1600 °C: SiC + SiO2

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Mechanical behaviour

Compression test setup (ISO 2739/2000)

typical stress-displacement curve

F = load at failure

L = buckle length

D = buckle external diameter

E = thickness of the buckle wall

F

( )2Le

eDF −=σ

0

50

100

150

200

250

300

0 0,5 1 1,5 2

displacement [mm]

com

pres

sive

stre

ss [M

Pa] before oxidation

after oxidation

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Fracture surface

before oxidation

after oxidation

the toughening mechanisms operate also after oxidation

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a) external layer (80X, 10 kg load)

b) internal layer (500X, 3 kg load)

Vickers indentation

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Layer thickness

Green tape thickness

[mm]

Average layerthickness after

sintering[μm]

Number of layers

Cylinder wallthickness

after sintering[mm]

0.8 140-150 6 0.9

0.6 90-125 7 0.7

0.4 55-60 10 0.6

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Layer thickness and mechanical strength

mean compression strength [MPa]0.4 mm 0.6 mm 0.8 mm

as prepared

100 h 1600 °C

as prepared

100 h 1600 °C

as prepared

100 h 1600 °C

235 184 356 210 143 123

Some damage duringpreparation

Best mechanicalproperties

Slight loss afteroxidation

Best choice → 0.6 mm thick tapes (even if it loses strength after oxidation)

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Thermal cycling

Heating up to 1070 °C

Cooling in air

Heating up to 1070 °C

etc…

88888888

8888

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Thermal cycling: mechanical behaviour

No Cycling 10 cycles 50 cycles

Compressionstrength [MPa] 287 311 269

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Thermal cycling: indentation tests

Before thermal cycling(100X, 10 kg load)

After thermal cycling(100X, 10 kg load)

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Multilayered ceramics: suitable and low cost material for high temperature components.

Tubular SiC multilayers were produced by tape casting and sintering without pressure.

Multilayer toughness is increased owing to delamination phenomena, even after high temperature treatments in severe conditions (100 h at 1600 °C).

The layer thickness influences both the material strength and the oxidation resistance; thinner layers are stronger but more sensibleto oxidation.

Indentation tests showed that residual stresses control the crack path.Thermal cycling between 1070 °C and 300 °C did not change the

mechanical behaviour of multilayers.

Conclusions

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Future investigations

Production of non tubular samples.

Increase the total thickness of the multilayer.

Extend thermal shock tests to higher temperatures.

Measure residual stress on the different layers

Produce multilayers with different composition of the layers.


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