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铁铝金属间化合物—四方氧化锆陶瓷基复合材料的研究

李嘉  
【摘要】:四方氧化锆(TZP)陶瓷是陶瓷材料中室温力学性能最高的一种材料,但TZP材料除了具有陶瓷材料所固有的脆性之外,由于应力诱导相变对温度的敏感性,在高温下t-ZrO_2的稳定性增高,导致相变增韧失效,致使材料的强度和韧性随温度上升而急剧下降。加之在低温环境下时效导致强度和韧性下降(低温老化)、及由低导热率和高热膨胀系数引起的较差的抗热震性能等缺点大大削弱了其与金属材料的竞争优势,限制了其的规模开发和应用。目前国内外针对于TZP的弱点采取了一系列措施,如利用高模量高强度的晶须、颗粒及片晶与TZP复合。这些措施虽在一定程度上改善了TZP材料的中高温性能,但由于增韧相和基体的热膨胀系数、弹性模量的差异太大,在基体中产生较大的应力,往往导致室温力学性能的下降。 寻求一种新的复合思路和方法,进一步改善TZP的力学性能,无疑对拓宽其应用领域,增加其与金属材料的竞争力具有重要意义。 利用Fe_3Al金属间化合物这种“半陶瓷材料”的高温强度、高温蠕变和抗氧化耐腐蚀性能优于大部分金属材料、韧性优于陶瓷材料的特性,并根据Fe_3Al较ZrO_2高的韧性、与之相近的热膨胀系数、较高的热导率及金属间化合物所特有的在一定温度范围内强度随温度升高的特性,可望在增韧的同时改善ZrO_2的抗热震性能,依据这一思路,设计制备了新型ZrO_2(3Y)/Fe_3Al复合材料。并对复合材料制备工艺、微观结构、力学性能及增韧机制进行了系统研究。本论文主要研究内容如下: 首先,根据热力学原理考察增韧相Fe-Al金属间化合物与基体ZrO_2的化学相容性,预测增韧相与基体可能的化学反应性,从而确定适宜的Fe-Al金属间化合物种类和适宜的工艺条件,为降低乃至抑制界面反应提供理论依据。热力学计算结果表明,当用Al原子百分比大于42%的Fe-Al金属间化合物(Fe-42~50at%Al)用作增韧相时,将与ZrO_2基体发生化学反应,生成Al_2O_3和ZrAl_2;而Al原子百分比小于42%的Fe_3Al金属间化合物(Fe-28at%Al)则不易与基体发生化学反应。从化学相容性的角度考虑,Fe_3Al是较为适宜的增韧相。 采用机械合金化制备纳米Fe-Al金属间化合物粉体,并借助XRD、SEM、TEM及DSC等测试手段,研究了机械合金化及低溫退火过程中的组织结构演变、Fe_3Al粉体烧结后的块体材料的微观结构及力学性能。研究表明,Fe、Al元素粉末在机械合金化过程中形成无序α-Fe过饱和固溶体。球磨过程中晶粒细化和微观应变同时存在,且微观应变随球磨时间增大而增大。分析表明,球磨50h的Fe-28Al粉体在800℃退火过程中,


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