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Y-ZrO_2增韧SiC/Si_3N_4结合聚晶金刚石/立方氮化硼的研究

臧建兵  
【摘要】: 本文采用高温高压烧结工艺,制备了Y-ZrO_2增韧SiC中介结合的聚晶金刚石(Polycrystalline Diamond,简称PCD)与Y-ZrO_2增韧Si_3N_4中介结合的聚晶立方氮化硼(Polycrystalline Cubic Boron Nitride,简称PCBN),通过力学实验研究了Y-ZrO_2粉体的制备方法、化学组成及烧结工艺对聚晶超硬材料的断裂韧性、强度及磨耗比等的影响,同时借助于X射线衍射、透射电镜及扫描电镜等方法进行微观结构分析,研究Y-ZrO_2在聚晶超硬材料中的增韧机理。 研究结果表明:具有适当粒度及团聚状态的Y-ZrO_2粉体可以增韧SiC、Si_3N_4陶瓷结合的聚晶超硬材料。增韧效果取决于Y-ZrO_2粉体中稳定剂的含量、粉体制备工艺及参数以及PCD及PCBN高压烧结工艺与参数。 采用化学共沉淀法制备的Y-ZrO_2粉体颗粒呈松散絮状团聚,尺寸有较大的分散性。水解法制备的ZrO_2颗粒尺寸均一。水解ZrO_2粉体在1350℃、5GPa条件下烧结10~99s,致密度可接近100%。高压烧结可以抑制晶粒迅速长大,随烧结时间延长t相量增加,四方度减小。说明Y_2O_3在高压高温短时烧结时可以固溶进入ZrO_2晶格中,起到与常压烧结相同的稳定t相的作用。 选择1350℃、5GPa烧结1min,可成功制备出Y-ZrO_2增韧SiC中介的PCD。烧结过程未发现ZrO_2与基体的化学反应。水解法制得的Y-ZrO_2增韧相在PCD的中介相SiC中均匀分布,随Y_2O_3含量增加,室温t-ZrO_2存留量增加。Y_2O_3含量高于2mol%时,ZrO_2完全以t相形式存在。在外力作用下,发生t-m相变,相变量随Y_2O_3含量而增加,在2mol%Y_2O_3时,应力诱导相变量最高。加入Y-ZrO_2后PCD韧性增加,断裂韧性在Y_2O_3含量为1~2.2mol%时均保持较高水平(>10MPa·m~(1/2)),磨耗比随Y_2O_3含量增加而增加,综合性能在2.0mol%Y_2O_3时最好,K_(IC)为10.6MPa·m~(1/2),G-ratio为45300。化学共沉淀法制备的粉体在PCD中分布不均,t相存留量较低,可相变量也较低,增韧效果低于水解法制备的粉体。 在Si_3N_4及Si_3N_4中介结合的PCBN中加入适量的Al作为烧结助剂,可以避免不可相变的t′相ZrO_2形成,使应力诱导相变增韧高温高压烧结的氮化硅系陶瓷成为可能。以Si_3N_4为结合剂,Y-ZrO_2为增韧相,并加入Al作为烧结助剂,经高温高压烧结制备了PCBN。ZrO_2中Y_2O_3含量<2.0mol%时,t相存留量随Y_2O_3含量增加而增加,抗拉强度也逐渐增加,断裂韧性维持较高水平(>9 MPa·m~(1/2)),而Y_2O_3含量≥2.0mol%时,t相接近100%,抗拉强度与韧性随Y_2O_3含量增加而逐渐减小; 燕山大学工学博士学位论文 磨耗比在 2.omOI%YZO3时达到最大值。因此 YZO3含量为 2.OInol%时,Y-ZrOZ增 韧的PCBN可获得最佳综合性能。 vz。在rcn与vcsx中的增韧机理类似,存在应力诱导相变增韧与微裂纹 增韧两种机制。


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