3Y-TZPAl_2O_3纳米复相陶瓷的成形性能与微观组织
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3Y-TZP/Al_2O_3纳米复相陶瓷的成形性能与微观组织
许多复相陶瓷均被发现具有不同程度的超塑性,利用纳米复相陶瓷的超塑性进行加工成形是实现复杂形状陶瓷零件近净成形的重要手段。
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-ZrO<sub>2</sub>系陶瓷材料是陶瓷复合材料的研究重点之一。
这类材料具有良好的室温和高温力学性能,其在耐磨、耐高温等部件上应用广泛。
本文采用真空热压烧结制备了20mol%ZrO<sub>2</sub>（3Y）含量的
3Y-TZP/Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>纳米复相陶瓷,随后进行了复相陶瓷的超塑挤压成形和压缩变形,测量、评价了超塑成形过程中的摩擦和润滑,分析了复相陶瓷的成形性能以及变形前后的力学性能和显微组织,研究了复相陶瓷的超塑变形机理。
采用真空热压烧结法在1400℃、1450℃、1500℃、1550℃四个温度下制备了3Y-TZP/Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>纳米复相陶瓷。
ZrO<sub>2</sub>的添加,显著改善了材料的烧结性能,抑制Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>的晶粒生长,形成典型的晶界/晶内混合型结构。
在1450℃以上烧结时,复相陶瓷的致密度可达到98%以上,但随着温度的升高,晶粒尺寸显著增加。
复相陶瓷弯曲强度、断裂韧性、维氏硬度和弹性模量的最高值分别达到591MPa、7.9MPa·m1/2、18.1GPa和442.5GPa。
为了评估陶瓷在高温成形过程中的摩擦特性,寻找合适的润滑剂,试验采用圆环压缩法研究了六方BN有机溶液润滑剂在1400～1600℃温度范围内,1.1×10<sup>-4</sup> s<sup>-1</sup>、5.4×10<sup>-4</sup> s<sup>-1</sup>和2.5×10<sup>-3</sup> s<sup>-1</sup>应变速率下的摩擦润滑行为。
使用BN
润滑剂的摩擦因子值比较稳定,分析了其随温度和应变速率的变化情况。
通过圆环压缩法还评价了复相陶瓷的流动情况,测算了真实流动应力。
在1500℃、1550℃、1600℃和1650℃四个温度分别对复相陶瓷块料进行涡轮盘模拟件的超塑挤压。
复相陶瓷在1600℃具有最佳的挤压性能,最大单位挤压力小于25MPa,最大压头速率达到0.14mm·min-1。
由于材料本身优良的性能和BN润滑剂的有效作用,挤压过程中材料流动平稳,应变硬化较小;成形件质量良好,无明显缺陷。
通过SEM和TEM分析了变形材料的显微组织和变形机理,对比测试了试样成形前后的力学性能。
在1500℃对复相陶瓷坯料进行恒压25MPa超塑压缩变形。
通过XRD谱、晶向指数和峰强比分析对比了变形前后ZrO<sub>2</sub>和Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>各晶面随变形量的取向变化,结果表明变形材料织构化明显,而Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>的实测和计算ODF{110}、{113}和{300} X射线极图更加清晰地显示了织构的强度。
通过SEM分析了复相陶瓷变形后在平行于压缩轴截面和垂直于压缩轴截面上晶粒尺寸、纵横比、晶粒形状因子等表面形貌和断口形貌的变化,TEM观察了变形材料的显微组织变化,进而分析复相陶瓷的主要变形机理、变形织构产生和发展的原因。
测试了变形材料的力学性能,发现弯曲强度、断裂韧性和维氏硬度值随应变量的增大呈先增大后减小的趋势,研究了应变量、晶粒大小、空洞和织构化对材料力学性能的影响。