Al-,2-O-,3--Cr-,3-C-,2-多元復(fù)合陶瓷材料的制備、性能及應(yīng)用研究.pdf

1、氧化鋁陶瓷具有高硬度、耐磨損、耐高溫、抗腐蝕、低密度、原料分布廣泛等優(yōu)點(diǎn)，但韌性較差，尋求合適的方法提高氧化鋁陶瓷的強(qiáng)韌性，具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。本文利用Cr<,3>C<,2>分別與(W,Ti)C、SiC、Ti(C,N)等多相復(fù)合協(xié)同強(qiáng)韌化A1<,2>O<,3>陶瓷，成功制備了3種具有優(yōu)良綜合力學(xué)性能的新型A1<,2>O<,3>復(fù)合陶瓷材料。系統(tǒng)研究了新型Al<,2>O<,3>復(fù)合陶瓷材料的熱壓燒結(jié)工藝、力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)、強(qiáng)韌

2、化機(jī)理、耐磨抗蝕、抗熱震性能，并進(jìn)行了初步應(yīng)用。 根據(jù)顆粒彌散強(qiáng)韌化機(jī)理，基于殘余應(yīng)力場(chǎng)增韌和細(xì)晶強(qiáng)韌化，設(shè)計(jì)了Cr<,3>C<,2>分別與(W,Ti)C、SiC、Ti(C,N)等多相復(fù)合協(xié)同強(qiáng)韌化Al<,2>O<,3>陶瓷材料系統(tǒng)。 為精確測(cè)試陶瓷試樣的密度，在Archimedes排水法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了精確快捷測(cè)量體積與密度的新方法，制作了相應(yīng)的測(cè)試裝置。 成功研制了3種復(fù)合陶瓷材料ACW、ACT和ACS，

3、它們的平均抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性和Vickers硬度分別為562MPa、9.35MPa·m<'1/2>和18.77GPa，715MPa、8.58MPa·m<'1/2>和20.9GPa，515MPa、8.221MPa·m<'1/2>和18.19GPa。利用SEM、TEM、EDAX、SAD等對(duì)3種復(fù)合陶瓷材料的微觀結(jié)構(gòu)研究表明，只有在合適的熱壓工藝和組分條件下才能獲得良好的微觀組織結(jié)構(gòu)。3種材料微觀結(jié)構(gòu)中均發(fā)現(xiàn)了大量的位錯(cuò)、內(nèi)晶型納米粒子，和一

4、些應(yīng)力條紋，它們對(duì)于材料的強(qiáng)韌化作出貢獻(xiàn)。添加相粒子對(duì)于基體晶粒的生長(zhǎng)起到抑制作用，利于晶粒細(xì)化。材料斷裂方式表現(xiàn)出沿晶和穿晶的混合模式，斷口凹凸不平，偶見有長(zhǎng)柱狀晶粒和晶粒拔出現(xiàn)象。表面壓痕裂紋的偏轉(zhuǎn)和橋聯(lián)，是復(fù)合材料強(qiáng)韌性提高的表現(xiàn)。 ACW復(fù)合陶瓷材料主要強(qiáng)韌化機(jī)制有殘余應(yīng)力場(chǎng)增韌、裂紋偏轉(zhuǎn)與裂紋橋聯(lián)增韌、內(nèi)晶型結(jié)構(gòu)強(qiáng)韌化、細(xì)晶強(qiáng)韌化。 分析了內(nèi)晶型結(jié)構(gòu)對(duì)晶界的作用，認(rèn)為，如果內(nèi)晶型結(jié)構(gòu)本身晶粒較小，處在一主晶

5、界兩界面之間，而其整體又處于壓應(yīng)力狀態(tài)的話，則對(duì)該主晶界起到推開的作用；如處于拉應(yīng)力狀態(tài)則對(duì)主晶界產(chǎn)生閉合作用。如果內(nèi)晶型結(jié)構(gòu)晶粒較大，自身較少的部分界面處在一主晶界上，而其整體又處于壓應(yīng)力狀態(tài)，則擠壓該主晶界起到閉合強(qiáng)化的作用；如處于拉應(yīng)力狀態(tài)則弱化主晶界。 Al<,2>O<,3>復(fù)合陶瓷材料與YG8硬質(zhì)合金干摩擦?xí)r的摩擦系數(shù)、磨損率均明顯低于單相Al<,2>O<,3>陶瓷。其中，103[＃]、203[＃]、303[＃]材料

6、的摩擦系數(shù)和磨損率比單相Al<,2>O<,3>陶瓷降低了一半左右。Al<,2>O<,3>復(fù)合陶瓷材料的磨損率隨法向荷載、磨損時(shí)間的增加均減小，且變化趨向平緩。國家自然基金(N0.50405047)和山東省優(yōu)秀中青年科學(xué)家科研獎(jiǎng)勵(lì)基金(N0.2000-49)資助項(xiàng)目。基于Evans經(jīng)典磨損理論，考慮強(qiáng)度因素的影響，本文首次定義材料的綜合力學(xué)性能為H(H，K，σ)=H<'-0.5>K<,IC><'-0.75>σ<'X>，來評(píng)價(jià)陶瓷復(fù)合材料

7、的耐磨損性能。對(duì)于所研制的A1<,2>O<'3>復(fù)合陶瓷材料耐磨損性能測(cè)試結(jié)果表明，其耐磨損性能不僅隨硬度、韌性的提高而增強(qiáng)，還與強(qiáng)度的0.75次冪成正比。 A1<,2>2O<,3>復(fù)合陶瓷材料在常見酸、堿介質(zhì)中均表現(xiàn)出優(yōu)異的耐腐蝕性能。 第二相Cr<,3>C<,2>和(W,Ti)C粒子的添加，使得203[＃]復(fù)合陶瓷材料的臨界熱震溫差ΔT。提高到250K左右。203[＃]復(fù)合陶瓷材料和單相A1<,2>O<,3>陶瓷的

8、斷裂功分別為189．4J·m<'-2>、38.6J·m<'-2>。，證明復(fù)合材料抗熱震性能的改善是通過大幅提高斷裂功實(shí)現(xiàn)的。 應(yīng)用ACW復(fù)合陶瓷材料熱壓燒結(jié)制備了噴砂嘴，噴砂實(shí)驗(yàn)表明，材料耐沖蝕磨損性能良好。 利用有限元軟件Deform－2D模擬了擠壓凹模的工作狀況，對(duì)其應(yīng)力情況進(jìn)行分析，采取預(yù)緊組合陶瓷凹模結(jié)構(gòu)，使陶瓷盡量避開拉應(yīng)力的作用，并模擬了預(yù)緊組合凹模結(jié)構(gòu)合適的過盈量，為實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。應(yīng)用所研制的A1