LaPO4/Al2O3可加工陶瓷的微观结构设计与磨削性能研究

来源 :中国海洋大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wangxingchuang
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本文采用非均匀成核法成功制备出LaPO4包覆α-Al2O3复合粉体,改变了传统方法需要LaPO4含量较多、分布不均匀、力学性能下降明显的状况。通过微观结构设计既可以引入LaPO4/Al2O3网络状弱界面,又可以在一定程度上降低软相LaPO4的含量,从而提高材料的整体性能。并通过磨削加工研究其加工损伤以及磨削去除机制,为制备加工高性能陶瓷材料提供有益的参考。分别用X射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)对复合粉体的物相组成及微观结构进行了表征,然后将LaPO4含量为20%的复合粉体制备成LaPO4/Al2O3可加工陶瓷,并对其物相组成和断口形貌分别进行了XRD和扫描电子显微镜(SEM)检测。结果发现,包覆粉体中除了α-Al2O3和单斜相的LaPO4外,没有新物相生成;复合陶瓷中两相之间也各自独立存在,并且没与环境气体发生反应,这说明即使在1650°C的高温下两相依然保持了良好的化学稳定性。复合粉体中LaPO4均匀的包裹在α-Al2O3颗粒周围,形成一种核-壳的微观结构,这种微观结构设计使复合陶瓷两相结合更加紧密,分布更加均匀。复合陶瓷中LaPO4和Al2O3之间的弱界面分布明显增多,而且更加均匀,弱界面能够相互贯通,形成空间网络状分布,从而降低了软相LaPO4的含量,提高了复合陶瓷的力学性能和可加工性能;另外,复合陶瓷的断裂方式有了显著变化,在发生沿晶断裂的同时,也有较多的LaPO4自身层状解离,说明相对于Al2O3与LaPO4之间的弱界面结合能,LaPO4自身的结合能也是较小的。这为LaPO4/Al2O3可加工陶瓷磨削加工去除机制的研究提供了依据。采用单行程磨削实验法对LaPO4/Al2O3可加工陶瓷进行磨削加工,对磨削加工表面和侧面分别用光学显微镜和扫描电子显微镜进行了观测,着重观察了磨削加工对复合陶瓷造成的表面破碎损伤以及表面/亚表面微裂纹损伤,发现磨削加工有效损伤层的厚度为15μm左右,结合陶瓷材料内在结构特性,建立了磨削表面/亚表面微裂纹损伤模型,并将裂纹损伤层有效深度DC作为磨削表面/亚表面裂纹损伤的评价指标。结合LaPO4/Al2O3可加工陶瓷的微观结构,从材料微观力学角度分析了磨削加工后塑性变形和脆性断裂两种典型去除方式的产生机制,系统阐述了微观结构如何影响微裂纹的产生与扩展以及复合陶瓷的磨削去除机制。最后对磨削加工前后材料各项力学性能指标进行了对比测试。结果表明,虽然用包覆粉体制备的复合陶瓷的各项力学性能指标较传统的机械混合法有了较大提高,但是磨削加工对材料性能的损伤还是十分明显的,随着磨削进给量的增加,导致各项性能均下降了大约10%20%,并发现当进给量增大到一定程度后,力学性能损失会趋于缓和,各项性能的平均损伤在15%左右。
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