On the oxidation behaviour of monolithic TiB₂ and Al₂O₃-TiB₂ and Si₃N₄-TiB₂ composites

Abstract

In view of the susceptibility of TiB₂ to oxidation, the thermal stability of monolithic TiB₂ and of Al₂O₃-30 vol% TiB₂ and Si₃N₄-20 vol% TiB₂ composites was investigated. The temperature at which TiB₂ ceramic starts to oxidize is about 400°C, oxidation kinetics being controlled by diffusion up toT≈900°C and in the first stage of the oxidation at 1000°C and 1100°C (up to 800 min and 500 min respectively), and by a linear law at higher temperatures and for longer periods.

Weight gains in the Al₂O₃-TiB₂ composite can be detected only at temperatures above ≈700°C and the rate governing step of the oxidation reaction is characterized by a one-dimensional diffusion mechanism atT=700°C andT=800°C and by two-dimensional diffusion at higher temperatures.

Concerning the Si₃N₄-TiB₂ composite, three different oxidation behaviours related to the temperature were observed, i.e. up to ≈1000°C the reaction detected regards only the second phase; at ≈1000<T<≈1200°C, the diffusion of O₂ or N₂ through an oxide layer is proposed as the rate-governing step; atT〉=1200°C, a linear kinetic indicates the formation of a non protective scale.

Zusammenfassung

Im Hinblick auf die Neigung von TiB₂ zur Oxidation wurde die thermische Stabilität von monolytischem TiB₂ und der Gemische Al₂O₃-30Vol% TiB₂ sowie Si₃N₄-20Vol% TiB₂ untersucht. Die Temperatur, bei der TiB₂ Keramik beginnt zu oxidieren, liegt bei 400°C, die Oxidationskinetik wird bis zu T=900°C und im ersten Schritt der Oxidation bei 1000° bzw. 1100°C (bis zu 800 bzw. 500 min) durch Diffusion beherrscht, bei höheren Temperaturen und längeren Zeitabschnitten durch ein lineares Gesetz.

Eine Gewichtszunahme kann bei Al₂O₃-TiB₂-Gemischen nur bei Temperaturen oberhalb etwa 700°C beobachtet werden und der geschwindigkeitsbestimmende Schritt der Oxidationsreaktion ist bei T=700°C bzw. T=800°C durch einen eindimensionalen, bei höheren Temperaturen durch einen zweidimensionalen Diffusionsmechanismus charakterisiert.

Bezüglich des Si₃N₄-TiB₂-Gemisches wurden in Abhängigkeit von der Temperatur drei verschiedene Oxidationsverhalten beobachtet: bis etwa 1000°C betrifft die Reaktion nur die zweite Phase; bei Temperaturen zwischen 1000° und 1200°C wird die Diffusion von O₂ oder N₂ durch eine Oxidschicht als geschwindigkeitsbestimmender Schritt vorgeschlagen; bei Temperaturen oberhalb 1200°C zeigt eine lineare Kinetik die Bildung einer nichtschützenden dünnen Schicht