keywords: UHTC ceramics materials, Fracture toughness, SPS/FAST, HP HT słowa kluczowe: ceramika UHTC, odporność na pękanie, SPS/FAST, HP HT

Transkrypt

1 Materiały Ceramiczne /Ceramic Materials/, 70, 1, (2018), Ocena odporności na pękanie kompozytów UHTC na bazie ZrB 2 otrzymanych metodą SPS oraz HP HT Assessment of fracture toughness of ZrB 2 based UHTC composites obtained by SPS and HP HT methods Elżbieta Bączek*, Annamaria Naughton-Duszova, Marcin Podsiadło, Aleksandra Dubiel Instytut Zaawansowanych Technologii Wytwarzania, Kraków, ul. Wrocławska 37A, * elzbieta.baczek@ios.krakow.pl STRESZCZENIE W pracy badano wpływ dodatku proszków węglika krzemu i węglika boru na właściwości kompozytów ceramicznych na bazie ZrB 2, stanowiących materiały UHTC (ang. ultra high temperature ceramics). Próbki z polikrystalicznego dwuborku cyrkonu, jak również kompozyty na osnowie tej fazy z dodatkiem 2% i 10% wag. SiC oraz B 4 C, otrzymano na drodze spiekania wspomaganego ciśnieniowo przy użyciu metody SPS/FAST (ang. spark plasma sintering/ field assisted sintering technique) oraz HP HT (ang. high pressure high temperature). Otrzymane kompozyty scharakteryzowano pod kątem składu fazowego, mikrostruktury, właściwości mechanicznych i odporności na pękanie. Uzyskane materiały charakteryzują się wysoką gęstością względną w zakresie od 97% do 98%. Wykazano wyższą twardość oraz odporność na pękanie dla kompozytów o osnowie dwuborku cyrkonu z dodatkiem faz ceramicznych otrzymanych metodą HP HT. słowa kluczowe: ceramika UHTC, odporność na pękanie, SPS/FAST, HP HT ABSTRACT The effect of the addition of silicon carbide and boron carbide powders on the properties of ZrB 2 ceramic composites constituting ultra high temperature ceramics (UHTC) was investigated. Polycrystalline zirconium boride samples, as well as composites with the matrix of this phase with the addition of 2 wt.% and 10 wt.% of SiC and B 4 C were obtained by pressure-assisted sintering using SPS/FAST (spark plasma sintering/field assisted sintering technology) and HP HT (high pressure high temperature) methods. The composites were characterized in terms of phase composition, microstructure, hardness and fracture toughness. It has been stated that they had a high relative density in the range of 97% to 98%. Higher hardness and fracture toughness was observed for composites with the addition of ceramic phase obtained by HP HT method. keywords: UHTC ceramics materials, Fracture toughness, SPS/FAST, HP HT 1. Wprowadzenie Materiały ceramiczne na bazie metali przejściowych (Zr, Hf itp.) odznaczają się unikatowym połączeniem takich właściwości jak wysoka temperatura topnienia i twardość przy zachowaniu odporności na działanie czynników chemicznych. Temperatura topnienia tych materiałów jest bliska 3000 C lub wyższa, co sprawia, że należą one do grupy ceramiki wysokotopliwej określanej mianem UHTC (ang. ultra-high temperature ceramics) [1, 2]. Charakterystyczne właściwości tych materiałów determinują ich potencjalne wykorzystanie do wytwa- 1. Introduction Ceramic materials based on transition metals (Zr, Hf, etc.) are characterized by a unique combination of properties such as high melting point and hardness while maintaining resistance to chemical agents. The melting point of these materials is close to 3000 C or higher, which makes them belong to the group of highmelting ceramics known as UHTC (ultra-high temperature ceramics) [1, 2]. The characteristic properties of these materials determine their potential use for the manufacture of machine parts and equipment, thermal 20 ISSN

2 Ocena odporności na pękanie kompozytów UHTC na bazie ZrB 2 otrzymanych metodą SPS oraz HP HT rzania części maszyn i urządzeń, komponentów ochrony termicznej, krawędzi natarcia w samolotach, a także narzędzi skrawających. Wysoka temperatura topnienia i odporność na utlenianie pozwala na ich zastosowanie w przemyśle kosmicznym, np. na dysze silników rakietowych [3 5]. Procesy wytwarzania i właściwości fizykomechaniczne ceramiki na bazie ZrB 2 zostały szeroko opisane w pracach [6 8]. Konsolidacja wysokotemperatura proszków ZrB 2 bez dodatków modyfikujących jest trudne ze względu na ich niską spiekalność, wynikającą z silnego wiązania kowalencyjnego ZrB 2. Aby poprawić spiekalność ZrB 2 oraz zwiększyć odporność na pękanie czy wytrzymałość na zginanie, wprowadza się dodatki umożliwiające obniżenie temperatury spiekania, co korzystnie wpływa na ograniczenie rozrostu ziarna. Rozwijane w ostatniej dekadzie ciśnieniowe techniki spiekania materiałów proszkowych, w tym metoda SPS/ FAST i HP HT, poszerzają możliwości wytwarzania spieków oraz prowadzenia prac badawczych dotyczących materiałów o wysokiej temperaturze topnienia. Proces nagrzewania w metodzie SPS realizowany jest w wyniku przepływu prądu poprzez stemple i matrycę grafitową lub przez sprasowane złoże ziaren proszku. W czasie przepływu prądu przez proszek w miejscach kontaktu ziaren proszku następuje wyładowanie iskrowe, które usuwa z powierzchni cząstek zaadsorbowane gazy i tlenki. Ułatwia to powstanie aktywnych kontaktów pomiędzy spiekanymi cząstkami proszku i pozwala na przeprowadzanie procesu w temperaturze niższej niż w przypadku klasycznych metod i w znacznie krótszym czasie [10]. Otrzymane materiały charakteryzują się gęstością zbliżoną do gęstości teoretycznej. Celem niniejszej pracy było zbadanie wpływu metod SPS/FAST i HP HT oraz dodatku SiC i B 4 C na rozwój mikrostruktury, twardość i odporność na pękanie ceramiki na bazie ZrB 2. protection components, leading edges in aircrafts, as well as cutting tools. The high melting point and oxidation resistance allows their use in the space industry, e.g. on jet engine nozzles [3 5]. The manufacturing processes and physico-mechanical properties of the ZrB 2 based ceramics have been extensively described in [6 8]. The high temperature consolidation of ZrB 2 powders without additives is difficult due to their low sinterability resulting from the strong covalent bonds in the structure of ZrB 2. In order to improve the sinterability of ZrB 2 and increase fracture toughness or bending strength, additives are added that allow to reduce the sintering temperature, which favorably limits the grain growth. The pressure sintering technologies of powder materials developed in the last decade, including the SPS/ FAST and HP-HT methods, expand the possibilities of sintering and research on materials with a high melting point. The heating process in the SPS method is carried out as a result of the current flow through the stamps and the graphite matrix or by the compressed powder bed. During the current flow through the powder at the contact points of the powder grains, a spark discharge occurs, which removes adsorbed gases and oxides from the surface of the particles. This facilitates the formation of active contacts between the sintered powder particles and allows the process to be carried out at a lower temperature than in the case of classical methods and in a much shorter time [10]. The obtained materials are characterized by a density close to the theoretical density. The aim of this study was to investigate the effect of SPS/FAST and HP-HT methods and addition of SiC and B 4 C on microstructure development, hardness and fracture toughness of ZrB 2 -based ceramics. Tabela 1. Charakterystyka proszków, z których wykonano mieszanki na spieki ceramiczne. Table 1. Characteristics of powders from which mixtures for ceramic sinters were made. Proszek / Powder Gatunek / Type Średnia wielkość cząstek / Average particle size [µm] Dostawca / Provider Dwuborek cyrkonu / Zirconium diboride ZrB 2 typ B 1,5 3 Węglik krzemu / Silicon carbide SiC Typ UF 15 0,4 0,6 H.C. Starck, Niemcy / Germany Węglik boru / Boron carbide B 4 C Typ HS 0,6 1,2 MCCM, 70, 1,

3 E. Bączek, A. Naughton-Duszova, M. Podsiadło, A. Dubiel 2. Materiał i metodyka badań 2. Material and methodology of research The test material consisted of ceramic sinters made from powders of zirconium diboride with the addition of 2% and 10% by weight of silicon carbide and boron carbide (Table 1). The shape and size of the powder particles were determined using scanning electron microscopy (Fig. 1). The prepared powder mixtures were ground for 2 h in a high energy planetary mill Pulverisette 6 with a WC-Co bowl and balls in the presence of liquid (acetone) at 200 rpm. The ratio of the mass of the balls to the mass of the ground powder was 10:1. The obtained powder mixtures (Fig. 2) were placed in a graphite matrix for sintering using the SPS/FAST method (Fig. 3a). The SPS sintering process of the composites was carried out under argon at a temperature range of 1800 C to 2000 C for 10 min and under a pressure of 35 MPa. In the case of HP-HT sintering, the ø15 5 mm compacts were pre-pressed at a pressure of ~100 MPa, Materiał do badań stanowiły spieki ceramiczne wytworzone z proszków dwuborku cyrkonu z dodatkiem 2% i 10% mas. węglika krzemu i węglika boru (Tabela 1). Kształt oraz wielkość cząstek proszków określono za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej (Rys. 1). Przygotowane mieszanki proszków mielono w wysokoenergetycznym młynie planetarnym Pulverisette 6 z użyciem misy i kul z WC-Co, w obecności cieczy (aceton) przy prędkości 200 obr./min w czasie 2 godzin. Stosunek masy kul do masy mielonego proszku wynosił 10:1. Otrzymane mieszanki proszków (Rys. 2) umieszczono w matrycy grafitowej do spiekania metodą SPS/FAST (Rys. 3a). Proces spiekania SPS kompozytów prowadzono w atmosferze argonu w zakresie temperaturowym 1800 C do 2000 C w czasie 10 min i pod ciśnieniem 35 MPa. W przypadku spiekania metodą HP HT wypraski o wymiarach ø15 5 mm prasowano wstępnie pod ciśniea) Rys. 1. Obrazy SEM proszków wyjściowych: a) dwuborek cyrkonu, węglik krzemu, c) węglik boru. Fig. 1. SEM images of the starting powders: a) zirconium diboride, silicon carbide, c) boron carbide. c) 22 MCCM, 70, 1, 2018

4 Ocena odporności na pękanie kompozytów UHTC na bazie ZrB2 otrzymanych metodą SPS oraz HP HT niem ~100 MPa, umieszczano w grzejniku grafitowym, a następnie w specjalnym wkładzie reakcyjnym. Proces spiekania metodą HP HT prowadzono w temperaturze 1900 C ± 50 C pod ciśnieniem 7,5 GPa i w czasie 60 s (Rys. 3. Wytworzone spieki przebadano pod kątem właściwości fizycznych i mechanicznych. Gęstość pozorną mierzono zgodnie z normą PN EN 632 2, wykorzystując nasycanie w próżni. Pomiary twardości i współczynnika KIc badanych materiałów wykonano metodą Vickersa za pomocą twardościomierza FLC 50VX firmy Future Tech Corp. Badania twardości realizowane były z zastosowaniem obciążenia 9,81 N (HV1), a pomiary współczynnika KIc przy obciążeniu 98,1 N (HV10). Wynik twardości oraz a) placed in a graphite heater, and then in a special reaction cartridge. The HP-HT sintering process was carried out at 1900 C ± 50 C at 7.5 GPa and during 60 s (Fig. 3. The produced sinters were tested for physical and mechanical properties. The apparent density was measured in accordance with the PN-EN standard, using saturation in a vacuum. The measurements of hardness and KIc coefficient of the materials tested were made using the Vickers method using a FLC-50VX hardness tester from Future-Tech Corp. The hardness tests were carried out using a load of 9.81 N (HV1), and the KIc coefficient measurements with a load of 98.1 N (HV10). The result of hardness and KIc was the average Rys. 2. Kształt i wielkość cząstek proszków mielonych w młynie planetarnym: a) mieszanina ZrB2 + 10% mas. SiC, mieszanina ZrB2 + 10% mas. B4C. Fig. 2. Shape and size of powder particles ground in a planetary mill: a) mixture of ZrB wt.% SiC, mixture of ZrB wt.% B4C. a) Rys. 3. Urządzenia do spiekania wykorzystane w pracy: a) aparatura SPS wraz z elementami grafitowymi i komorą pieca, urządzenie HP HT typu Bridgmana z toroidalnymi kowadłami. Fig. 3. Sintering equipment used in the work: a) SPS apparatus with graphite elements and furnace chamber, Bridgman type HP-HT device with toroidal anvils. MCCM, 70, 1,

5 E. Bączek, A. Naughton-Duszova, M. Podsiadło, A. Dubiel K Ic stanowił średnią z co najmniej 5 pomiarów dla każdej badanej próbki. Wykonano również pomiar modułu Younga ultradźwiekową metodą pomiaru prędkości przechodzenia fali poprzecznej i podłużnej, wykorzystując do tego celu defektoskop Panametrics Epoch III. Skład fazowy materiałów po spiekaniu wyznaczono metodą dyfrakcji rentgenowskiej XRD, z użyciem dyfraktometru Empyrean firmy PANalytical. Materiały po procesach spiekania poddano badaniom mikrostruktury przy pomocy skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM, mikroskop JSM 6460LV firmy JEOL), a także mikroanalizie składu chemicznego metodą EDS. 3. Wyniki badań i dyskusja Otrzymane wyniki badań można przeanalizować i przedstawić w aspekcie wpływu modyfikatorów i technik spiekania na zmianę mikrostruktury i wybrane właściwości fizyczne i mechaniczne spieków na bazie ZrB 2. Na Rys. 4 7 przedstawiono wyniki badań właściwości fizyko-mechanicznych materiałów spiekanych metodą SPS w zakresie temperaturowym C dla mieszanek zawierających 2% i 10% mas. SiC lub B 4 C. Gęstość względna spieków mieściła się w granicach (97 99)%, moduł Younga w zakresie od 348 GPa do ok. 486 GPa. Nie odnotowano znaczącego wpływu wprowadzanych modyfikatorów na gęstość badanych materiałów. Najwyższą twardością (ponad 19 GPa HV1) charakteryzowały się materiały spiekane w temperaturze 1900 C. Wartość odporności na pękanie K Ic (HV10) mieściła się w zakresie 2,9 MPa m 1/2 6,5 MPa m 1/2 dla spieków zawierających 10% mas. SiC i otrzymanych w temperaturze 1800 C. Analiza otrzymanych danych wykazała, że dla zastosowanych parametrów procesu spiekania najlepszymi właściwościami charakteryzują się materiały otrzymany w temperaturze 1900 C i 2000 C. of at least 5 measurements for each sample tested. The Young s modulus was also measured by the ultrasound method using a Panametrics Epoch III flaw detector for measuring the velocity of transverse and longitudinal wave propagation. The phase composition of the sintered materials was determined by X-ray diffraction (XRD), using an Empyrean diffractometer (PANalytical). Materials after sintering processes were subjected to microstructure observations using scanning electron microscopy (SEM, JEOL-6460LV microscope from JEOL), as well as microanalysis of chemical composition by EDS method. 3. Research results and discussion The obtained test results can be analyzed and presented in the aspect of the influence of modifiers and sintering techniques on the change of microstructure and selected physical and mechanical properties of sinters based on ZrB 2. Figs. 4 7 present the results of physicomechanical properties of sintered materials using the SPS method in the temperature range C for mixtures containing 2% and 10% by mass of SiC or B 4 C. The relative density of sinters was in the range (97 99)%, Young s modulus in the range from 348 GPa to approx. 486 GPa. There was no significant effect of the modifiers introduced on the density of the materials tested. The highest hardness (over 19 GPa HV1) were characterized by sintered materials at 1900 C. The fracture toughness value K Ic (HV10) was in the range of 2.9 MPa m 1/2 6.5 MPa m 1/2 for sinters containing 10 wt.% SiC and obtained at 1800 C. Analysis of the obtained data showed that the best properties are characterized by materials obtained at 1900 C and 2000 C for the sintering process parameters used. Physico-mechanical properties of sinters obtained by SPS and HP-HT at 1900 C are shown in Figs Rys. 4. Gęstość względna spieków otrzymanych metodą SPS w zakresie temperaturowym C. Fig. 4. Relative density of sinters obtained using the SPS method in the temperature range C. Rys. 5. Moduł Younga spieków otrzymanych metodą SPS w zakresie temperaturowym C. Fig. 5. Young s modulus of sinters obtained using the SPS method in the temperature range C. 24 MCCM, 70, 1, 2018

6 Ocena odporności na pękanie kompozytów UHTC na bazie ZrB 2 otrzymanych metodą SPS oraz HP HT Rys. 6. Twardość spieków otrzymanych metodą SPS w zakresie temperaturowym C Fig. 6. Hardness of sinters obtained using the SPS method in the temperature range C. Rys. 7. Współczynnik K Ic spieków otrzymanych metodą SPS w zakresie temperaturowym C. Fig. 7. K Ic coefficient of sinters obtained using the SPS method in the temperature range C. Rys. 8. Gęstość względna spieków otrzymanych metodą SPS i HP HT w temperaturze 1900 C. Fig. 8. Relative density of sinters obtained by SPS and HP-HT at 1900 C. Rys. 9. Moduł Younga spieków otrzymanych metodą SPS i HP HT w temperaturze 1900 C. Fig. 9. Young s modulus of sinters obtained by SPS and HP-HT at 1900 C. Rys. 10. Twardość spieków otrzymanych metodą SPS i HP HT w temperaturze 1900 C. Fig. 10. Hardness of sinters obtained by SPS and HP-HT at 1900 C. Rys. 11. Współczynnik K Ic spieków otrzymanych metodą SPS i HP HT w temperaturze 1900 C. Fig. 11. K Ic coefficient of sinters obtained by SPS and HP-HT at 1900 C. MCCM, 70, 1,

7 E. Bączek, A. Naughton-Duszova, M. Podsiadło, A. Dubiel Właściwości fizyko mechaniczne spieków otrzy- The incorporation of additives and the use of the HPmanych metodą SPS i HP HT w temperaturze 1900 C -HT method allows obtaining materials with higher przedstawiono na Rys mechanical properties as compared to a monolithic Wprowadzenie dodatków oraz zastosowanie metody ZrB2 material and materials from the SPS method. For HP HT pozwala uzyskać materiały o wyższych właści- all sinters obtained using the HP-HT method, an increwościach mechanicznych w porównaniu do monolitycz- ase in hardness from 15 GPa (for pure ZrB2) to 20 GPa nego materiału oraz materiałów z metody SPS. W przy- (for the ZrB2 + 2% B4C system) was obtained, which padku wszystkich spieków otrzymanych metodą HP HT in the case of the SPS method was obtained only for odnotowano wzrost twardości z 15 GPa (dla czystego material containing 10 wt.% of B4C. The highest YounZrB2) do 20 GPa (dla układu ZrB2 + 2% mas. B4C), co g s modulus was measured for the ZrB wt.% SiC a) Rys. 12. Mikrostruktury spieków ZrB2 + 10% mas. SiC: a) metoda SPS temperatura 1900 C, ciśnienie 35 MPa, czas spiekania 10 min, metoda HP HT temperatura 1900 C ± 50 C, ciśnienie 7,5 GPa i czas spiekania 60s. Fig. 12. Microstructure of ZrB wt.% SiC sinters: a) SPS method temperature 1900 C, pressure 35 MPa, sintering time 10 min, ( HP-HT method temperature 1900 C ± 50 C, pressure 7.5 GPa and sintering time 60s. a) c) d) e) f) Rys. 13. Rozkład powierzchniowy pierwiastków próbki otrzymanej metodą HP HT w T = 1900 C ± 50 C pod ciśnieniem 7,5 GPa i w czasie 60 s: a) mikrostruktura, rozkład boru, c) rozkład cyrkonu, d) rozkład krzemu, e) rozkład tlenu, f) rozkład węgla. Fig. 13. Surface distribution of elements of the sample obtained by HP-HT method at T = 1900 C ± 50 C under pressure of 7.5 GPa and time of 60 s: a) microstructure, boron distribution, c) zirconia distribution, d) distribution silicon, e) oxygen distribution, f) carbon distribution. 26 MCCM, 70, 1, 2018

8 Ocena odporności na pękanie kompozytów UHTC na bazie ZrB 2 otrzymanych metodą SPS oraz HP HT w przypadku metody SPS uzyskano tylko dla materiału zawierającego 10% mas. B 4 C. Najwyższy moduł Younga zmierzono w przypadku kompozytu ZrB 2 +10% mas. SiC (500 GPa), otrzymanego metodą HP HT. Analizę mikrostruktury wykonano w przypadku spieków stanowiących materiał wyjściowy ZrB 2 oraz z dodatkami SiC i B 4 C, otrzymanych metodą SPS i HP HT w temperaturze 1900 C. Przykładową mikrostrukturę powierzchni jednego z materiałów (ZrB % mas. SiC) dla obu metod wytwarzania przedstawiono na Rys. 12. Na obrazie mikrostruktury materiału otrzymanego metodą SPS widoczne są granice międzyziarnowe i międzyfazowe (Rys. 12a). Materiał charakteryzuje się dużą porowatością oraz kruchością. Obrazy mikrostruktur pokazują zróżnicowanie wielkości ziaren i ich rozrost. W mikrostrukturze materiałów otrzymanych metodą SPS widoczne są niewielkie jasne obszary, które według mikroanalizy EDS (Rys. 13) zawierają krzem oraz węgiel. Można zatem twierdzić, że jest to węglik krzemu SiC, wprowadzany jako dodatek do materiału. Różnice w odcieniach szarości ziaren ZrB 2 wynikają z ich odmiennej orientacji krystalograficznej. Badania dyfrakcji rentgenowskiej wykonano na powierzchni materiałów spiekanych metodą SPS i HP HT. Nie stwierdzono istotnych różnic w składzie fazowym w zależności od techniki spiekania materiału; Rys. 14 przedstawia przykładowy dyfraktogram spieku o składzie ZrB 2 +10% mas. SiC otrzymany metodą SPS w temperaturze 1900 C pod ciśnieniem 35 MPa i w czasie 10 min. Analiza składu fazowego wykazała obecność faz ZrB 2 i SiC w ilości 92 i 8% mas. W przypadku spieków ZrB % mas. B 4 C zidentyfikowano obie fazy w ilości odpowiednio 96% i 4% mas. composite (500 GPa), obtained by the HP-HT method. The analysis of the microstructure was made for sinters constituting ZrB 2 starting material and with additions of SiC and B 4 C, obtained by SPS and HP-HT at 1900 C. An example of the microstructure of the surface of one of the materials (ZrB wt.% SiC) for both production methods is shown in Fig. 12. Intergranular and interphase boundaries are visible in the microstructure image of the material obtained by the SPS method (Fig. 12a). The material is characterized by high porosity and brittleness. Images of microstructures show the differentiation of grain sizes and their growth. In the microstructure of materials obtained by SPS, small, bright areas are visible, which according to EDS microanalysis (Fig. 13) contain silicon and carbon. It can therefore be argued that it is silicon carbide SiC, added as an addition to the material. Differences in the shades of gray of ZrB 2 grains result from their different crystallographic orientation. X-ray diffraction tests were performed on the surface of SPS and HP-HT sintered materials. There were no significant differences in the phase composition depending on the material sintering technique; Fig. 14 shows an exemplary diffraction pattern of the sinter with the composition ZrB wt.% SiC obtained by SPS method at 1900 C under pressure of 35 MPa and during 10 min. Analysis of the phase composition showed the presence of ZrB 2 and SiC phases in the amount of 92% and 8% by mass, respectively. For ZrB wt.% B 4 C sinters both phases were indentified at 96 wt.% and 4 wt.%, respectively. Rys. 14. Dyfraktogram spieku ZrB % mas. SiC otrzymanego metodą SPS w temperaturze 1900 C pod ciśnieniem 35 MPa i w czasie 10 min. Fig. 14. Diffraction pattern of ZrB wt.% SiC sinter obtained by SPS at 1900 C under 35 MPa and during 10 min. MCCM, 70, 1,

9 E. Bączek, A. Naughton-Duszova, M. Podsiadło, A. Dubiel 4. Wnioski Wykonane badania pozwoliły określić wpływ modyfikatorów SiC i B 4 C oraz metod wytwarzania SPS/FAST i HP-HT na właściwości spieków na bazie ZrB 2. Otrzymane materiały charakteryzują się dobrymi właściwościami fizycznymi i mechanicznymi, których wartość nie odbiega od prezentowanych w literaturze, wytwarzanych innymi metodami. Najlepsze materiały spiekane metodą SPS charakteryzowały się modułem Younga powyżej 450 GPa, twardością powyżej 19 GPa (dla spieków z dodatkiem 10% mas. B 4 C) oraz współczynnikiem intensywności naprężeń około 4,5 MPa m 1/2. Podobnie w przypadku metody HP HT wszystkie spieki zawierające dodatki SiC i B 4 C charakteryzują się wysoką twardością, powyżej 19 GPa. Najwyższą wartość współczynnika intensywności naprężeń odnotowano dla spieku zawierającego 2% mas. B 4 C (~6 MPa m 1/2 ). Podziękowanie Projekt POWROTY/2016 1/3 jest realizowany w ramach programu Powroty Fundacji na rzecz Nauki Polskiej współfinansowanego przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego. 4. Conclusions The performed research made it possible to determine the impact of SiC and B 4 C modifiers and production methods SPS/FAST and HP-HT on the properties of sinters based on ZrB 2. The obtained materials are characterized by good physical and mechanical properties, the value of which does not differ from those presented in the literature, produced by other methods. The best SPS sintered materials were characterized by Young s modulus above 450 GPa, hardness above 19 GPa (for sinters with 10 wt.% B 4 C addition) and a stress intensity factor of about 4.5 MPa m 1/2. Similarly, in the case of the HP-HT method, all sinters containing SiC and B 4 C additives are characterized by high hardness, above 19 GPa. The highest value of the stress intensity coefficient was recorded for sinters containing 2 wt.% of B 4 C (~ 6 MPa m 1/2 ). Acknowledgement Project POWROTY/2016 1/3 is realized as part of the Powroty program of the Foundation for Polish Science co-financed by the European Union from the European Regional Development Fund. Bibliografia/References [1] Laszkiewicz-Łukasik, J., Jaworska, L., Putyra, P., Cygan, S., Cyboroń, J.: Badania właściwości tribologicznych ceramiki borkowej w temperaturach do 800 C, Mechanik, nr 2 (2015), [2] Stolarz, S.: Wysokotopliwe związki i fazy, Katowice, Wyd. Śląsk, [3] Barbante, P. F., Magin, T. E.: Fundamentals of hypersonic flight Properties of high temperature gases, Critical Technologies for Hypersonic Vehicle Development, [4] Richards, W. L.: Finite-Element Analysis of a Mach-8 Flight Test Article Using Nonlinear Contact Elements, Scientific and Technical Information Program, [5] Wuchina, E., Opila, E., Opeka, M., Fahrenholtz, W., Talmy, I.: UHTCs: Ultra-High Temperature Ceramics Materials for Extreme Environment Applications, The Electrochemical Society Interface, (2007), [6] Fahrenholtz, W. G., Hilmas, G. E., Talmy, I. G., Zaykoski, J. A.: Refractory diborides of zirconium and hafnium, J. Am. Ceram. Soc., 95, (2007), [7] Neuman, E. W., Hilmas, G. E.: Mechanical properties of zirconium-diboride based UHTCs, in: Ultra-High Temperature Ceramics: Materials for Extreme Environment Applications, W.G. Fahrenholtz, E.J. Wuchina, W.E. Lee, Y. Zhou (Eds.), John Wiley & Sons, Hoboken, NJ, 2014, [8] Neuman, E. W., Hilmas, G. E., Fahrenholtz, W. G.: Mechanical behavior of zirconium diboride silicon carbide boron carbide ceramics up to 2200 C, J. Eur. Ceram. Soc., 35, (2015), [9] Jaworska, L., Putyra, P., Wyżga, P., Figiel, P.: Nowoczesne metody spiekania, Annales Universitatis Paedagogicae Cracoviensis, 6, (2013), [10] Hebda, M.: Spark Plasma Sintering nowa technologia konsolidacji materiałów proszkowych, Mechanika, Czasopismo Techniczne, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej 6-M, Zeszyt 11, Otrzymano 27 listopada 2017, zaakceptowano 11 grudnia 2017 Received 27 November 2017, accepted 11 December MCCM, 70, 1, 2018