Silisyum nitrürün çeşitli sinterleme süreçleri

Silisyum nitrür seramiklerinin atomları güçlü kovalent bağlarla birbirine bağlıdır; bu, bu anorganik metal olmayan seramik malzemenin yoğun sinterleme elde etmesini çok zorlaştıran doğasında var olan bir özelliktir. İşleme sırasında yalnızca 1800 ℃’nin üzerindeki yüksek sıcaklık ortamına dayanmakla kalmaz, aynı zamanda uzun süreli sinterleme basıncını da korumak gerekir. Bu aşırı işleme ortamı, yeşil cisimde iç gözenekler ve çatlama sorunlarına neden olmaya eğilimlidir; bu da malzemenin mekanik performansını ve genel işlevsel güvenilirliğini doğrudan zayıflatır. Bu hazırlık sorununu çözmek için sektör, çeşitli farklı sinterleme süreçleri geliştirmiştir.

1. Basınsız sinterleme

Atmosferik basınçta sinterleme yöntemiyle silisyum nitrür hazırlanması sürecinde temel bir çelişki vardır: malzemenin yoğunlaşma süreci, silisyum nitrürün yüksek sıcaklıkta bozunma reaksiyonuyla rekabet eder. Bu sorun, magnezyum bazlı katkı maddeleri içeren formülasyon sistemlerinde daha belirgin hale gelir. Atmosferik koşullar altında ham ürünün (green body) yoğunlaşma etkisini artırmak amacıyla sektör, yardımcı sinterleme bileşenleri olarak yttriyum oksit ile magnezyum oksiti veya yttriyum oksit, alüminyum oksit ve alüminyum nitrür kombinasyonlarını kullanır. Geniş kapsamlı doğrulamalar sonucunda yttriyum oksit + alüminyum oksit ve yttriyum oksit + magnezyum oksit olmak üzere iki formülasyon piyasada yaygın olarak kabul gören başlıca seçenekler haline gelmiştir. Bu süreç, özel kompozit alanlarda henüz yaygın olarak uygulanmamıştır. Ancak uygun işlenme teknikleriyle birlikte iç kusurları ortadan kaldırmak için tahribatsız muayene yöntemleri de uygulanırsa, atmosferik basınçta sinterlenmiş silisyum nitrür bileşenleri yüksek güvenilirlik gerektiren ekipman aksesuarları için kullanılabilir.

2. Reaksiyon Sinterleme (RBSN)

Gözenekli reaksiyonla sinterlenmiş silisyum nitrürün üretimi, ince öğütülmüş silisyum tozu ile yapılan seramik ham maddelerin hazırlanmasıyla başlar; bu işlem basınç uygulamasından sonra gerçekleştirilir. Ham maddeler azot veya amonyak ortamında 1000–1450 °C sıcaklık aralığında sürekli olarak ısıtılır. Bu süreçte silisyum tozu nitridasyon reaksiyonuna uğrar ve α-Si3N4 ile β-Si3N4’den oluşan bir karışık kristal faz meydana gelir. Bu nitridasyon işlemi yaklaşık %22’lik bir hacim genişlemesine neden olur; ancak ham madde partiküllerinin arasında kalan boşluklar bu genişleme etkisini dengeleyebilir. Sinterleme süreci boyunca ham maddenin boyutunda neredeyse hiç küçülme deformasyonu gözlenmez. Boyut sabitliği özelliği nedeniyle bu süreç, özel şekilli seramik blokların, özel şekilli burçların ve intervertebral spacer tabanlarının üretiminde oldukça uygundur. Sinterlemeden sonra elmas uçlu takımlarla ilave işlenebilme gerekmez ve bu durum önemli mali avantajlar sağlar. Hatta ürünün gözenekliliği %20–%30 düzeyinde kalırsa bile bu bileşenler mükemmel mekanik özelliklerini korur; eğilme dayanımı 350 MPa’ya kadar ulaşabilir.

3. Sıcak Presleme Sinterleme (HP)

Sıcak presleme sinterleme işlemi, herhangi bir katkı maddesi eklenmeden silisyum nitrür önformunu yoğunlaştıramaz. Bu nedenle, magnezyum oksit ve magnezyum nitrür gibi magnezyum bazlı malzemeler, sinterleme yardımı olarak toz sistemine karıştırılır. Katkı maddelerinin optimal ilave miktarı, tercihen %3,3–%5,0 ağırlık oranı aralığında kontrol edilmelidir. İşlem sırasında önforma 23 MPa’lık mekanik basınç uygulanır ve sinterleme sıcaklığı 1800±50 °C olarak ayarlanır; bekletme süresi 4 ila 18 dakika arasındadır. Bu süreç, %99,9’un üzerinde bağıl yoğunluğa sahip yoğun seramik parçalar üretmeyi sağlar ve nihai ürünün eğilme dayanımı 690±20 MPa’ya ulaşabilir. Aşırı yüksek yoğunluğu sayesinde, sıcak presleme sinterleme işlemi, silisyum nitrür rulmanları, silisyum nitrür seramik çubukları ve silisyum nitrür aşınmaya dayanıklı bilyalar gibi katı mekanik performans gereksinimleri olan ürünlerin üretiminde kullanılabilir. Bu çözüm ayrıca endüstriyelleştirme sürecine de entegre edilmiştir.

4. Gaz Basıncı Sinterleme (GPS)

Basınçlı sinterleme işleminin temel işlevi, yüksek sıcaklıkta sinterleme sırasında silisyum nitrürün kolay ayrışması sorununu çözmektir. Bu işlem, sinterleme odasına yüksek basınçlı azot gazı vererek yüksek basınçlı koruyucu bir atmosfer oluşturur; bu da silisyum nitrürün yüksek sıcaklıkta ayrışma reaksiyonunu etkili bir şekilde tersine çevirir ve engeller. Böylece ön forma yüksek sıcaklıkta yoğunlaşma süreci boyunca yapısal bütünlük ve kararlı performans sağlanır. Mükemmel yoğunlaşma etkisi ve malzeme kararlılığı ile basınçlı sinterleme işlemi, büyük ölçekli yüksek sıcaklığa dayanıklı silisyum nitrür krozelere ve uzun borulu silisyum nitrür seramik tüplere, ayrıca diğer yüksek hassasiyetli ve yüksek sıcaklığa dayanıklı yapısal bileşenlere imkân tanır. Bu işlemle üretilen silisyum nitrür ürünlerinin genel özellikleri, yaygın sinterleme yöntemleriyle üretilen ürünlerinkilere çok benzerdir ve üstün kapsamlı performans gösterirler; bu da onlara geniş endüstriyel uygulama olanakları sunar.

5. Silisyum nitrür ile birleştirilmiş sinterleme reaksiyonu (SRBSN)

Yeşil cisimlerin sinterleme davranışını iyileştirmek amacıyla, yardımcı sinterleme bileşenleri olan alümina, silika ve kalsiyum oksit, silisyum tozu ham maddesine eklenir. Tüm hazırlık süreci iki ısıtma aşamasına bölünür. İlk olarak, hidrojen veya argon ve azot içeren bir atmosferde, 1400°C’de uzun süreli bir nitürleme reaksiyonu gerçekleştirilir; bu süreç 150 ila 300 saat sürer. Nitürleme tamamlandıktan sonra, malzeme yüksek basınçlı bir sinterleme ortamına aktarılır ve 1700–1950°C aralığında 1–2 saat boyunca tutulur. Ortamdaki azot gazı basıncı, 0,21–2,1 MPa aralığında ayarlanır. Bu süreç sayesinde yeşil cisimlerin yoğunluğu, teorik yoğunluğun %86’sını aşabilir. Eğer sinterleme odasının içindeki azot gazı basıncı daha da artırılarak 10 MPa’nın üzerine çıkartılırsa, yeşil cisimlerin yoğunluğu teorik değerin %98’ine ulaşabilir ve bileşenlerin eğilme dayanımı da 750 MPa’ya çıkabilir. İyi şekillendirme doğruluğu ve kontrol edilebilir işlenme maliyetleriyle bu süreç, ağır iş yüküne dayanıklı silisyum nitrür seramik halkaları ile büyük boyutlu silisyum nitrür seramik plakalarının üretiminde kullanılabilir. Yoğunluk artırma işleminden sonra bu bileşenlerin fiziksel ve mekanik özellikleri, piyasada bulunan yüksek performanslı silisyum nitrür sinter parçalarının performansını karşılayabilecek düzeydedir.

6. Deşarj Plazma Sinterleme (SPS)

Deşarj plazma sinterleme işlemi, toz kompakt üzerine darbeli akımın doğrudan etkisine dayanır ve kompaktın sıcaklığını hızla artırmak için direnç ısıtması kullanır. Bu işlem, uzun süreli yüksek sıcaklıkta bekleme gerektirmeden yoğun katılaşma sağlayabilir. Bu kısa süreli yüksek sıcaklık işleme modu, kristal tanelerinin sürekli büyümesini engelleyebilir, anormal faz dönüşümlerini önleyebilir, malzemenin ince mikro-kristalin yapısını koruyabilir ve bileşenlerin daha üstün mekanik özellikler kazanmasını sağlayabilir. Bu işlem, ultra ince silisyum nitrür seramik levhaları ve mini silisyum nitrür konumlandırma pimleri gibi hassas küçük parçaların işlenmesi için uygundur. Geleneksel sinterleme yöntemlerine kıyasla bu sürecin tamamı daha az zaman alır, işleme ritmi daha hızlıdır ve silisyum nitrür bileşenlerinin genel işleme süresini önemli ölçüde kısaltabilir.