基于Cr2AlC原位反应生成多相协同增强ZrO2基复合陶瓷的制备及性能研究

来源 :南昌航空大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:blueblood008
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ZrO2陶瓷具有硬度高、耐磨性好、耐高温、耐腐蚀、低密度、原料蕴藏丰富等诸多优点,在结构陶瓷和功能陶瓷领域有着重要地位,但是由于ZrO2陶瓷的本征脆性导致其应用受到了极大的制约。因此,寻求一种合适的方法对ZrO2陶瓷进行强韧化具有重要意义。本文首先预制了前驱体Cr2AlC材料,将前驱体Cr2AlC和ZrO2陶瓷基体混合再进行微波烧结,在烧结过程中,前驱体Cr2AlC在ZrO2基体中发生原位分解反应,生成的Cr7C3,Cr5Al8,Al2O3等分解产物复合协同强韧化ZrO2陶瓷,以此来制备一种综合性能优异的ZrO2基复合陶瓷。本实验选用了Cr粉、Al粉、C粉和Cr3C2粉、Al粉、Cr粉这两组原料粉来合成前驱体Cr2AlC。通过X射线衍射仪、扫描电镜等设备对合成产物进行纯度分析,探讨了烧结工艺和原料种类对合成的产物纯度的影响。利用制得的前驱体Cr2AlC加入到ZrO2基体中,通过微波烧结原位反应,生成了Cr7C3,Cr5Al8,Al2O3等相,制备了(Cr7C3,Cr5Al8,Al2O3)/ZrO2基复合陶瓷。通过对复合陶瓷进行物相分析,微观组织分析,断口形貌分析并结合复合陶瓷的相对密度、显微硬度、抗弯强度、断裂韧性等性能测试,探究了前驱体Cr2AlC添加量及微波烧结工艺对ZrO2基复合陶瓷的影响并探讨了强韧化机理。最后还讨论了原位生成法制备复合陶瓷和直接加入法制备复合陶瓷的差别。实验结果表明:Cr3C2粉、Al粉、Cr粉作为为原料可在烧结温度1300℃,保温时间20min的微波烧结工艺下能制得高纯单相的Cr2AlC材料,其纯度达到了94%,符合作为前驱体的要求。在ZrO2基体中加入前驱体Cr2AlC后,经微波烧结后,前驱体Cr2AlC原位反应生成的Cr7C3,Cr5Al8,Al2O3等相晶粒细小能够弥散分布在ZrO2基体中,与基体相界面关系良好。当前驱体Cr2AlC加入量为15vol.%,微波工艺为1500℃烧结,保温30min时,制备的(Cr7C3,Cr5Al8,Al2O3)/ZrO2基复合陶瓷综合性能较佳,相对密度为98.4%,显微硬度为14.81 GPa,抗弯强度为811.62 MPa,断裂韧性为14.35 MPa·m1/2,并且ZrO2基体晶粒均匀细小,相比于纯的3Y-TZP陶瓷,各方面性能都得到了一定提高。对比了原位反应生成法和直接加入法制备(Cr7C3,Cr5Al8,Al2O3)/ZrO2基复合陶瓷的试验结果表明:直接加入法制备的ZrO2基复合陶瓷第二相颗粒在基体中团聚现象明显,ZrO2在冷却过程中发了相变,产生了较多的m-ZrO2相,其相对密度、显微硬度、抗弯强度、断裂韧性均要低于原位生成法制备的ZrO2基复合陶瓷。ZrO2基复合陶瓷的强韧化机理主要是第二相中Al2O3、Cr7C3的细晶强化、弥散强化、Cr7C3颗粒拔出增韧,ZrO2相变增韧等。
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