Fabricating toughened super-hard B4C composites at lower temperature by transient liquid-phase assisted spark plasma sintering with MoSi2 additives

Abstract

Toughened, super-hard B4C triplex-particulate composites were densified by spark plasma sintering with MoSi2 additives (5, 10, and 15 vol.%) at temperatures in the range 1750–1850 °C at which the reference monolithic B4C ceramics are porous. It is proved that MoSi2 is a reactive sintering additive that promotes densification by transient liquid-phase sintering, thus yielding fully-dense B4C-MoB2-SiC composites at relatively lower temperatures. Specifically, the MoSi2 first reacts at moderate temperatures (<1150 °C) with part of B4C to form MoB2, SiC, and Si. This last is a transient component that eventually melts (at ∼1400 °C), contributing to densification by liquid-phase sintering, and then (at 1500–1700 °C) reacts with free C present in the B4C starting powders to form more SiC, after which densification continues by solid-state sintering. It is found that these B4C-MoB2-SiC composites are super-hard (∼30 GPa), tough (∼3–4 MPa m1/2), and fine-grained, a combination that renders them very appealing for structural applications. Finally, research opportunities are discussed for the future microstructural design of a novel family of toughened, ultra-hard/super-hard multi-particulate composites based on B4C plus refractory borides and carbides.

Se densificaron materiales compuestos B4C triplex-particulados, endurecidos y superduros, mediante sinterización por plasma de chispa con aditivos MoSi2 (5, 10 y 15 vol.%) a temperaturas en el rango 1750-1850 °C a las que las cerámicas monolíticas B4C de referencia son porosas. Se ha demostrado que el MoSi2 es un aditivo de sinterización reactivo que promueve la densificación por sinterización transitoria en fase líquida, produciendo así materiales compuestos de B4C-MoB2-SiC totalmente densos a temperaturas relativamente bajas. Concretamente, el MoSi2 reacciona primero a temperaturas moderadas (<1150 °C) con parte del B4C para formar MoB2, SiC y Si. Este último es un componente transitorio que acaba fundiéndose (a ∼1400 °C), contribuyendo a la densificación por sinterización en fase líquida, y después (a 1500-1700 °C) reacciona con el C libre presente en los polvos de partida de B4C para formar más SiC, tras lo cual continúa la densificación por sinterización en estado sólido. Se observa que estos compuestos de B4C-MoB2-SiC son superduros (∼30 GPa), tenaces (∼3-4 MPa m1/2) y de grano fino, una combinación que los hace muy atractivos para aplicaciones estructurales. Por último, se discuten las oportunidades de investigación para el futuro diseño microestructural de una nueva familia de compuestos multiparticulados endurecidos, ultraduros/superduros, basados en B4C más boruros y carburos refractarios.