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基于表层复合法的氧化铝陶瓷表面生长模式及性能研究

刘子峰  
【摘要】:陶瓷表面微观结构和生长模式对陶瓷总体性能有至关重要的影响,本文采用表层复合法在氧化铝陶瓷预烧坯体表层介入第二相氧化物,然后采用同步烧结的方法实现对氧化铝陶瓷的表层复合,该方法在结构陶瓷表面改性研究中的报道较少;第二相的引入由于液相烧结、固溶和原位生成新物质等原因改变了氧化铝的生长模式,进而改变了其微观结构和表面性能。 本文研究了单相添加剂对氧化铝表面微观结构和晶粒生长模式的影响。氧化镁、氧化硅、氧化钾和氧化钠等在烧结过程中形成液相,有助于细化晶粒,抑制晶粒各向异性生长,所得表面以等轴状晶粒为主;但是过量氧化镁的介入会在氧化铝陶瓷表面生成镁铝尖晶石。氧化钙和氧化铝表层复合之后,在AM997氧化铝表面生成等轴状和长条状颗粒相间的微观构造;氧化钙和AKP50氧化铝陶瓷表层复合之后,氧化铝晶粒各向异性生长并伴随晶粒异常长大,在1550℃烧结温度下生成大量片状晶粒,随着烧结温度提高到1600℃,片状晶粒长径比由3:1增加到8:1左右。氧化钛、氧化锰则与氧化铝形成固溶体,活化了晶格,带来晶格畸变使烧结动力增加,并粗化了氧化铝晶粒。表层复合法可以用来在氧化铝陶瓷表面制备氧化锆涂层,可以在表面生成均匀厚度为10μm的氧化锆层,并且界面结合非常紧密,对提高表面韧性有重要意义。 本文研究了复合添加剂对氧化铝表面晶粒生长模式的影响,结果表明MgO-SiO_2复合添加剂促进了AM997氧化铝的各向异性生长,大部分氧化铝表面晶粒长成片状结构,晶粒异常长大是一种原位反应结果,有助于形成自增韧微观结构,甚至对氧化铝大约200-300μm厚度的表层区域内的晶粒生长模式都有改变作用。CaO-SiO_2复合添加剂促进AM997氧化铝颗粒的各向异性生长,形成大量长柱状颗粒;MgO-TiO_2复合添加剂促进氧化铝晶粒长成棒状、片状和等轴状相间的晶粒构造,表层影响深度大约在100μm左右;MgO-TiO_2-CaO三元复合添加剂与AM997氧化铝进行表层复合之后,氧化铝主要颗粒长成等轴状大颗粒,在大颗粒晶界周围弥散着棒状颗粒,棒状颗粒的长径比在1550℃烧结温度下为3:1左右,而当烧结温度升高到1600℃时,其长径比会长到超过10:1。 研究了氧化钛和钛酸铝表层复合氧化铝陶瓷试样的抗热震性,结果发现表层复合之后氧化铝的抗热震温差从200℃提高到400℃,抗热震性比纯氧化铝陶瓷有明显提高,这是由于氧化铝陶瓷表面生成了钛酸铝,钛酸铝具有良好的抗热震性能,加上次表层区域氧化铝晶粒生长模式发生变化,晶粒粗化并且气孔增高,这些因素共同作用带来了氧化铝抗热震性能的提高。


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