Manufacturing B4C parts with Ti-Al intermetallics by aqueous colloidal processing

Abstract

The aqueous colloidal processing of submicrometre B4C powder (∼0.6 μm) with coarse Ti-Al powder (∼40 μm) as sintering additive was investigated. Firstly, by measuring the zeta potential, pHs were identified that promote the individual colloidal stability of the B4C and Ti-Al particles as well as their co-dispersion in water with two different deflocculants (one anionic and the other cationic). It was found that the anionic and cationic deflocculants shift the isoelectric points of B4C and Ti-Al to more acidic and more basic pHs, respectively, making their co-dispersion possible at neutral pH. And secondly, by means of rheological studies, conditions were identified (sonication time, deflocculant type, and deflocculant content) that at quasi-neutral pH yield B4C + Ti-Al shear-thinning concentrated suspensions (30 vol.% total solids) with low viscosity and small hysteresis loop. Interestingly, those deflocculated with the cationic polyelectrolyte had better rheological behaviour, being also less viscous and almost non-thixotropic. These suspensions were freeze-dried, obtaining powder mixtures that were compacted by conventional spark plasma sintering (SPS), and also slip-cast, obtaining robust green pieces that were densified by pressureless SPS. The two B4C composites thus obtained are superhard, with Vickers hardnesses greater than 30 GPa.

Se investigó el procesamiento coloidal acuoso de polvo submicrométrico de B4C (∼0,6 μm) con polvo grueso de Ti-Al (∼40 μm) como aditivo de sinterización. En primer lugar, midiendo el potencial zeta, se identificaron los pH que promueven la estabilidad coloidal individual de las partículas de B4C y Ti-Al, así como su codispersión en agua con dos defloculantes diferentes (uno aniónico y otro catiónico). Se descubrió que los defloculantes aniónico y catiónico desplazan los puntos isoeléctricos del B4C y el Ti-Al a pH más ácido y más básico, respectivamente, haciendo posible su codispersión a pH neutro. Y en segundo lugar, mediante estudios reológicos, se identificaron las condiciones (tiempo de sonicación, tipo de defloculante y contenido de defloculante) que, a pH casi neutro, producen suspensiones concentradas de B4C + Ti-Al que se adelgazan por cizallamiento (30 % vol. de sólidos totales) con baja viscosidad y pequeño bucle de histéresis. Curiosamente, las defloculadas con el polielectrolito catiónico tuvieron un mejor comportamiento reológico, siendo también menos viscosas y casi no tixotrópicas. Estas suspensiones se liofilizaron, obteniéndose mezclas de polvos que se compactaron mediante sinterización por plasma de chispa convencional (SPS), y también se fundieron por deslizamiento, obteniéndose piezas verdes robustas que se densificaron mediante SPS sin presión. Los dos compuestos de B4C así obtenidos son superduros, con durezas Vickers superiores a 30 GPa.