TiB-,2--Al-,2-O-,3-復(fù)相陶瓷的制備與性能研究.pdf

1、TiB2陶瓷除了具有高的硬度和彈性模量外，還表現(xiàn)出了一系列良好的特性，如導(dǎo)電性、高熔點(diǎn)、耐磨損、重量輕以及高化學(xué)穩(wěn)定性，其應(yīng)用前景十分廣闊。但是TiB2材料較高的制備成本以及較差的燒結(jié)性為材料應(yīng)用帶來(lái)了困難，同時(shí)TiB2的常溫脆性也阻礙了它的實(shí)際應(yīng)用。制備復(fù)相陶瓷、添加燒結(jié)助劑以及應(yīng)用先進(jìn)的成型和燒結(jié)技術(shù)被認(rèn)為是提高TiB2材料的力學(xué)性能、改善其燒結(jié)性能和降低制備成本的重要方法。 本文采用Al2O3為第二相，以Y2O3和金屬Ni

2、為燒結(jié)助劑，通過(guò)不同混料方式、冷等靜壓成型(CIP)并最終采用低壓氣壓燒結(jié)技術(shù)(GPS)，研究了第二相的加入及燒結(jié)助劑在不同工藝條件下對(duì)材料燒結(jié)性能及產(chǎn)物結(jié)構(gòu)和性能的影響，為低成本批量化二硼化鈦材料的制備工藝優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。 采用Y2O3為助燒劑，應(yīng)用噴霧干燥技術(shù)和冷等靜壓成型，在1700℃-1900℃進(jìn)行氣壓燒結(jié)制備TiB2-Al2O3復(fù)相陶瓷。結(jié)果表明第二相的加入在一定程度上改善了材料的燒結(jié)性能，在1900℃、壓力8MP

3、a的條件下，加入50wt％Al2O3，燒結(jié)體的相對(duì)密度為96％。材料的微觀結(jié)構(gòu)分析表明，在燒結(jié)過(guò)程中主要是以流動(dòng)傳質(zhì)和擴(kuò)散傳質(zhì)的固相燒結(jié)機(jī)制為主，材料中二硼化鈦和氧化鋁出現(xiàn)了局域聚集的現(xiàn)象。這主要是由于在此燒結(jié)溫度下，氧化鋁比二硼化鈦更容易遷移生長(zhǎng)。殘余孔隙主要集中在二硼化鈦聚集區(qū)。燒結(jié)助劑Y2O3與Al2O3在1800℃時(shí)生成了YAG(Y3Al5O12)，主要分布在氧化鋁和二硼化鈦接觸面及部分TiB2聚集區(qū)域的孔隙中，促進(jìn)了材料的致密

4、化。但燒結(jié)過(guò)程中YAG量的設(shè)計(jì)仍是一個(gè)有待研究的問(wèn)題。 以金屬Ni為助燒劑，采用干混方式混料和冷等靜壓成型，用氣壓燒結(jié)方法制備了TiB2-Al2O3復(fù)相陶瓷，研究了Ni含量、Al2O3含量和燒結(jié)工藝參數(shù)對(duì)材料的致密化過(guò)程、顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響，確定了最佳的氣壓燒結(jié)工藝。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：金屬Ni的助燒機(jī)理是在Ni的熔點(diǎn)之上(大于1550℃)形成粘度較低的液相，在燒結(jié)過(guò)程中，通過(guò)以溶解-沉淀機(jī)制為主的液相燒結(jié)方式，有效地促進(jìn)了樣品

5、的致密化。由于氣氛的存在抑制了液相的揮發(fā)，但過(guò)早引入氣體，在氣氛燒結(jié)中會(huì)產(chǎn)生部分氣體被包裹的現(xiàn)象，阻礙了樣品的致密化過(guò)程。通過(guò)研究不同Al2O3含量樣品的顯微結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的關(guān)系，結(jié)果表明，由于金屬Ni和二硼化鈦及氧化鋁均具有較好的潤(rùn)濕性，燒結(jié)產(chǎn)物中Ni的分布表現(xiàn)了很好的均勻性。同時(shí)隨著燒結(jié)溫度的降低，二硼化鈦和氧化鋁晶粒的生長(zhǎng)受到了明顯的抑制。隨著Al2O3含量的增加，材料的密實(shí)度、抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性和電阻率增加，維氏硬度降低，彈性模

6、量在30％Al2O3時(shí)出現(xiàn)峰值，洛氏硬度變化不大。加入30％Al2O3，以2.5％Ni作助燒劑，采用1550℃ 1h，0.5Mpa+1750℃1h，8Mpa的氣壓燒結(jié)工藝，可以得到顯微結(jié)構(gòu)均勻，性能較好的復(fù)相陶瓷，其抗彎強(qiáng)度可達(dá)520MPa，彈性模量達(dá)339GPa，洛氏硬度達(dá)92.6 HRA。對(duì)材料韌性的研究結(jié)果表明，隨著Al2O3含量的增加，TiB2晶粒的細(xì)化，裂紋的擴(kuò)展偏轉(zhuǎn)增多。在20％Al2O3的樣品中，由于TiB2晶粒較大，裂紋