Zirkonya Sertleştirilmiş Alümina (ZTA)

Zirkonya sertleştirilmiş alümina (ZTA), mekanik mukavemet ve termal şok direnci sağlamak için hem alümina hem de zirkonya seramiklerinin özelliklerini birleştiren, femur başları ve asetabular gömlekler gibi ortopedist uygulamalar ve valf contaları, burçlar, pompa parçaları, kesme aletleri, motor bileşenleri ve valf contaları gibi endüstriyel uygulamalar için uygun hale getiren tasarlanmış bir seramiktir. Femur başları ve asetabular gömlekler gibi ortopedik uygulamalarda bulunabilirken, endüstriyel uygulamalar arasında valf contaları burçları valf contaları burçları pompa parçaları kesici aletler kesici aletler veya motor bileşenleri bulunur.

ZTA, toz alümina ve yttria stabilize zirkonya tozları kullanılarak jelcasting yoluyla üretilir. Bu süreç, bulamaç hazırlama, kalıplama, hem ozmotik hem de havayla kurutma işlemleriyle çözücü kurutma, piroliz ve son adımlar olarak sinterlemeyi içerir.

Sertlik

Zirkonya sertleştirilmiş alümina, ince tetragonal zirkonya partiküllerinin bir alümina matrisine stres kaynaklı dönüşümü yoluyla üretilen, hem yüksek mukavemet hem de tokluk gerektiren uygulamalar için ideal bir malzemedir. Bu işlem, kimyasal ve aşınma direnci sunmanın yanı sıra sertlik, kırılma tokluğu ve tokluk gibi üstün mekanik özellikler üreten tek tip parçacık boyutu dağılımı üretir.

Bir alümina matris içinde dağılmış olan zirkonya partiküllerinin, kendileri ve alümina partikülleri arasındaki kimyasal etkileşimler nedeniyle değişmeleri genellikle engellenir, ancak dönüşüme uğramak için gerilmeyle aktive edilebilirler. Dönüşen zirkonya partikülleri çatlak cephelerinde yayılmayı önleyen basınç gerilmeleri yaratır; dönüşümleri geleneksel alüminadan daha fazla tokluk ile sonuçlanır.

Claussen ilk olarak 1976 yılında dönüşüm sertleşmesini tanımlamıştır ve parçacıkların çatlak cepheleriyle etkileşime girerek onları saptırması ve aynı zamanda çatlak uçlarından önce basınç gerilmeleri oluşturması ve böylece malzemelerin kırılma tokluğunu artırması ile karakterize edilir (Claussen 1976). Bu etki kırılma tokluğunu artırır.

ZTA, sıcak izostatik presleme kullanılarak üretilebilir ve yitriya stabilize zirkonyadan (Y-TZP) yapılmış seramik femur başlarına kıyasla üstün sağkalım göstermiş olan kalça protezi yatak çifti malzemeleri için çok uygundur (Şekil 7.10). Ayrıca, yüksek alümina içeriği ve daha yüksek yoğunluğu, Y-TZP'de görülen ve zaman içinde abartılı t-m dönüşümüne ve mekanik bozulmaya neden olan yaşlanma olaylarına karşı hafifletmeye yardımcı olur (Şekil 7.11 ve 7.12).

ZTA, ameliyathanelerde ve türbin motorlarında kullanılanlar gibi korozyona ve vücut sıvılarına maruz kalmaya dayanıklı olması gereken tıbbi implantlar için mükemmel bir malzeme seçimidir. Geleneksel alümina ile karşılaştırıldığında, ZTA kimyasal korozyona karşı üstün direnç sunar; bozunmadan veya bozulmadan zorlu ortamlara dayanabilir. Ayrıca, ZTA olağanüstü termal şok direncine sahiptir, yani fırın bileşenleri ve türbin motoru bileşenleri gibi sıcaklıktaki hızlı değişiklikleri basınç altında çatlamadan veya kırılmadan tolere edebilir.

Dayanıklılık

AZ kompozitler, bir alümina matris içinde dağılmış olan sertleştirilmiş zirkonya partikülleri nedeniyle son derece serttir. Strese maruz kaldıklarında, parçacıklar kristal yapılarını tetragonalden monoklinik forma değiştirerek çatlak ilerlemesini durdurmaya yardımcı olan hacim genişlemesine ve sıkışmaya neden olur - dönüşüm sertleşmesi olarak bilinen bu özellik, HMA Wear Solutions'ın ZTA'sını yüksek mukavemet, tokluk ve sertlik seviyeleri gerektiren uygulamalar için ideal hale getirir.

Termal şoka maruz kaldığında dayanıklılık daha da artar. Bir alümina matrisi boyunca dağılmış olan zirkonya partikülleri hızlı sıcaklık değişimlerinden kaynaklanan enerjiyi emerek onları ani sıcaklık değişimlerinin neden olduğu stres nedeniyle kırılma ve çatlamadan korur. Bu nedenle seramik, fırın bileşenleri veya türbin motor parçaları gibi ani ve yoğun sıcaklık değişimlerine maruz kalan ekipmanlarda arıza riski olmadan güvenle kullanılabilir.

Zirkonya sertleştirilmiş alümina korozyona karşı direnciyle bilinir. Bu nedenle, aşındırıcı sıvılarla veya aşındırma asitleri ve temizlik maddeleri gibi kimyasallarla temas edecek ekipman parçalarında kullanılabilir. Ayrıca, bu malzemenin mekanik aşınma direnci, onu tıbbi implantlar veya vücut sıvıları veya temizlik solüsyonları gibi kimyasallarla temas eden cihazlar için uygun hale getirir.

Dayanıklılığı ve korozyon direnci nedeniyle zirkonya-alümina kompozit (ZTA) malzemeler çok sayıda sektörde kullanılmaktadır. Kesici takım üreticileri, kesici takımlar oluştururken sıklıkla ZTA'nın güçlü ancak sağlam malzemelerini tercih etmektedir; ayrıca femur başları ve asetabular astarlar gibi ortopedik implant cihazları gibi tıbbi ekipman üretiminde de yaygın olarak kullanılmaktadır.

Tıbbi uygulamalarda kullanılan ZTA malzemeleri, hastalarda olumsuz sağlık etkilerine neden olabilecek kırılgan arıza riskini azaltmaya yardımcı olan daha yüksek kırılma toklukları (tek başına alüminaya göre 20 kata kadar daha fazla) nedeniyle iyi dayanır.

Korozyon Direnci

Zirkonya sertleştirilmiş alümina, yüksek sıcaklıklara ve zorlu ortamlara dayanacak şekilde tasarlanmış sert, kırılgan bir malzemedir. Korozyona ve kimyasal saldırılara karşı dayanıklıdır ve üstün mekanik mukavemet, termal şok direnci ve düşük aşınma oranlarının yanı sıra havacılık, imalat ve otomotiv uygulamaları gibi sektörlerde çok sayıda uygulamaya sahiptir.

ZTA seramikleri, yüksek sıcaklıklarda sinterlemeden önce bu malzemelerin süspansiyon halinde karıştırılmasıyla üretilen hem alümina hem de zirkonya kompozitlerinden oluşmaları bakımından geleneksel seramiklerden farklıdır. Sinterleme, bir alümina matris içinde ince bir şekilde dağılmış tetragonal fazlı zirkonya partikülleri üretir; çatlaklar bu matris boyunca ilerlediğinde, enerjileri, mevcut gerilmelere etkili bir şekilde karşı koyan hacim genişlemesi üreten faz dönüşümlerini tetikler; bu, saptırılmış kırıkların içinde birden fazla yerde görünmesine neden olur, kırılma enerjisini dağıtırken kırılma enerjisini tamamen dağıtır.

Bu malzemenin bileşimi, amaçlanan uygulamaya göre uyarlanabilir; alümina ve zirkonya oranı, benzersiz gereksinimlere uyacak şekilde gerektiği gibi ayarlanabilir. Örneğin, gerilme mukavemetini artırmak için formülasyonuna daha fazla zirkonya eklenebilirken, daha fazla alümina hidrotermal yaşlanma ve korozyona karşı direnci artıracaktır.

ZTA-96 ürün serisi aşınma, korozyon ve yüksek sıcaklık kararlılığı gerektiren uygulamalar için uygun maliyetli çözümler sunmak üzere geliştirilmiştir. Özelleştirilmiş toleranslar ve yüzeyler ile çeşitli şekil ve boyutlarda mevcut olan bu seramik, zorlu uygulamalarda güvenilir performans sağlayabilir.

zirkonya sertleştirilmiş alümina, aşınma ve korozyona karşı direncinin yanı sıra mükemmel kimyasal stabilitesi ile uzun zamandır tanınmaktadır - her iki özelliği de onu vücut sıvılarının veya kimyasalların temas ettiği tıbbi uygulamalar için çok uygun hale getirmektedir. Ayrıca Zirkonya, üstün biyolojik uyumluluk özellikleri nedeniyle dental ve cerrahi implantlar için cazip bir aday olarak kabul edilmektedir.

Plochingen, Almanya'dan CeramTec tarafından üretilen Biolox Delta, 2000 yılında femur başları ve asetabular astarlar için bir implant değiştirme malzemesi olarak ticari satışa sunulan ilk ZTA malzemelerinden biri olarak piyasaya sürülmüştür. Düşük sıcaklık koşullarında korozyonu önlemek için krom oksit ile birlikte çatlak ucu köreltme mekanizmaları ve sertleştirme mekanizmaları sağlayan zirkonya ve stronsiyum alüminat ile güçlendirilmiş bir alümina matrisinden oluşur; CeramTec raporlarına göre 320.000'den fazla femur başı ve 160.000 insert bu restoratif seramik kullanılarak implante edilmiştir.

Termal Şok Direnci

Alümina matris ile birleştirilmiş zirkonya taneleri, olağanüstü termal şok direncine sahip bir malzeme üretir ve bu da onu aşırı sıcaklıklar içeren uygulamalar için mükemmel hale getirir. Ayrıca, Alümina-Zirkonya kompozitleri, uzun süreli kumlama maruziyeti altında bile dayanıklılık açısından saf alüminadan daha iyi performans gösterme eğilimindedir.

ZTA yüksek kırılma tokluğu sunar, bu da onu kırılgan malzemelerin istenmediği uygulamalarda ideal bir malzeme seçimi haline getirir. Bununla birlikte, maksimum mukavemet ve tokluk için, Alümina-Zirkonya kompozitleri uygun şekilde sinterlenmeli ve sıkıştırılmalıdır; çok düşük bir sıcaklık, nokta kusurlarına ve eğilme mukavemetinin azalmasına neden olabilir - bu nedenle optimum füzyon ve partikül boyutu dağılımını sağlamak için 1550 degC kullanılmalıdır.

Alümina-zirkonya kompozitler, kesici takımlarda ve diğer aşındırıcı bileşenlerde mükemmel aşınma direnci sağlar ve ortopedik implantlar için kullanılan benzer malzemelere kıyasla daha fazla kimyasal inertlik ve daha düşük maliyet sunmak için düşük sürtünmeye sahiptir. Bu özelliklerin birleşimi, bu kompozitleri tıbbi uygulamalarda oldukça cazip hale getirmektedir.

Alümina-zirkonya kompozitlerinin gerilmesi, metastabil tetragonal zirkonyanın monoklinik zirkonyaya dönüşmesine ve zirkonya kristallerinin hacim genişlemesine neden olarak çatlak uçlarını geri iterken tokluğu artırır - bu etki stres kaynaklı dönüşüm toklaşması olarak bilinir.

Zirkonya ile sertleştirilmiş alümina, güçlü ve dayanıklı olmasının yanı sıra elektriksel olarak yalıtkan olmasıyla bilinir - bu da onu manşonlar gibi hem mekanik hem de elektriksel yalıtım gerektiren bileşenler için harika bir malzeme seçimi haline getirir.

Yttria Stabilize Zirkonya (8YSZ) kullanılarak üretilen alümina-zirkonya kompozitlerinin, eşit derecede rekabetçi bir maliyet noktasında stabilize edilmemiş alümina kullanılarak üretilenlerden daha üstün olduğu kanıtlanmıştır. İdeal uygulamalar arasında hem aşınma direncinin hem de iyi elektrik yalıtım özelliklerinin gerekli olduğu uygulamalar yer alır - 1500 degC'ye kadar sıcaklıklar kapasitesi dahilindedir!