氧化铝基金属陶瓷的制备与微观组织研究

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首先对Al-Cr2O3-Al2O3反应体系进行了热力学计算,分析了起始反应温度T0与反应绝热温度Tad之间的关系,讨论了不同稀释剂(Cr2O3和Al2O3)对反应体系T0和Tad的影响。加入稀释剂使得该体系反应起始温度T0升高,而绝热温度Tad降低,可有效地控制体系的反应温度,为选择合适的成分配比及判断反应的可行性提供了理论指导。然后在电阻炉加热的条件下,利用燃烧合成法成功制备了Al2O3-Cr2O3-Cr金属陶瓷。利用金相显微镜和扫描电镜(SEM)对所得试样的微观组织进行观察和分析,通过X衍射分析(XRD)对其组成相进行了鉴定,并利用Al2O3-Cr2O3-Cr三元相图,对微观组织的形成过程进行了分析。在本实验所采用的反应物成分配比条件下,反应结束时产物熔体中的先析出相为金属Cr,然后发生共晶反应L((Al,Cr)2O3+Cr。研究了稀释剂和冷却条件对试样显微组织的影响。微观组织分析结果表明,相同成分配比时,采用石墨铸型所得试样中金属相较陶瓷铸型的均匀性好;不同成分配比时,在采用石墨铸型,氧化铝稀释剂加入的质量分数x=0.1和Cr2O3稀释剂加入的质量分数y=0.3的情况下,所得试样微观组织中金属相的分布较为细小均匀。由XRD分析可知,在Al2O3和Cr2O3稀释剂均加入,且加入总量(x+y)≤0.4的成分配比条件下,如x=0.1,y=0.3,x=0.2,y=0.1以及x=0.2,y=0.2时,得到的陶瓷基复合材料由金属Cr,Al2O3以及Al2O3-Cr2O3固溶体组成。研究了聚合物的加入对反应体系T0和Tad以及所得试样微观组织影响,加入聚合物后能明显降低体系T0和Tad,缩短反应加热时间,使得Al-Cr2O3-Al2O3反应更加容易;对于相同的成分配比,加入聚合物P后,所得试样的微观组织较未加聚合物时更为细小均匀。研究了不同加热速度对体系的影响,随着加热速度的提高,体系的起始反应温度T0亦提高;加热速度低有利于充分排出预制块中的气体,降低所得试样的孔隙率。但加热速率过低又会使得反应物中的Al粉氧化严重。对试样的致密化工艺以及致密化后试样的性能进行了初步研究。在反应结束时对试样施加一定的压力可以降低试样中的气孔率,提高其致密度。通过对试样中不同相显微硬度的分析,评价了金属相对陶瓷相的增韧作用。金属相的显微硬度HV为400g/mm2 左右,陶瓷相的显微硬度在1182-1426 g/mm2之间,混合相的显微硬度介于金属相和陶瓷相的显微硬度之间。
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