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氧化锆—氧化铝复相陶瓷的结构、性能与磨损机理的研究

余明清  
【摘要】: 本论文设计了Y_2O_3-CeO_2系复合添加剂并获得了用其稳定ZrO_2的亚稳四方相,采用化学共沉淀方法成功合成了不同Y_2O_3和CeO_2含量的具有亚微米级的(Y,Ce)-ZrO_2超微细粉体,在常压烧结条件下制备出系列(Y,Ce)-ZrO_2陶瓷。研究发现,与CeO_2相比,Y_2O_3对ZrO_2晶粒生长的抑制作用更为显著;随着CeO_2添加量的增加,1.5mol%Y_2O_3-ZrO_2中的四方含量逐渐增加直至全部为四方相,并且四方相的稳定性也逐渐增强,形成部分不易相变的四方相;(Y,Ce)-ZrO_2陶瓷具有相变增韧、微裂纹增韧以及晶粒拔出效应共同作用的显微结构特征;其中的(1.5mol%Y_2O_3,4mol%CeO_2)-ZrO_2拥有最多量的可相变的四方相ZrO_2,抗弯强度高于660MPa,断裂韧性达10.8MPa·m~(1/2),维氏硬度为10.12GPa。 (Y,Ce)-ZrO_2/Al_2O_3复相陶瓷的烧结致密化温度随体系中Al_2O_3含量的增加而升高,烧结温度对(Y,Ce)-ZrO_2/Al_2O_3复相陶瓷力学性能的影响可以归结为试样致密度对力学性能的影响。本论文中以各组成试样达到相同致密度进行(Y,Ce)-ZrO_2/Al_2O_3复相陶瓷有关力学性能和(Y,Ce)-ZrO_2/Al_2O_3-GCr15摩擦副在干摩擦有载荷条件下的摩擦磨损特性的评价。结果表明,合适的烧结温度以及合适的ZrO_2和Al_2O_3配比可以获得界面结合牢靠的晶界和细小晶粒结构的微观组织,有益于ZrO_2的应力诱导相变增韧和Al_2O_3的弥散补强作用的发挥,ZrO_2和Al_2O_3的相互作用也最终决定了(Y,Ce)-ZrO_2/Al_2O_3复相陶瓷的摩擦磨损特性。 (Y,Ce)-ZrO_2/Al_2O_3复相陶瓷的抗弯强度和断裂韧性都随着ZrO_2含量的变化呈现为“马鞍形”。由此在其全组成范围内划分为三个区,即ZTA区(ZrO_2含量为0~50wt%)、过渡区(ZrO_2含量为50~70wt%)、ADZ区(ZrO_2含量为70~100wt%)。 在ZTA区,存在ZrO_2的应力诱导相变增韧以及ZrO_2抑制Al_2O_3晶粒生长效应,复相陶瓷的抗弯强度和断裂韧性随ZrO_2含量的增加而增大,硬度随ZrO_2含量的增加而降低;ZrO_2应力诱导相变增韧作用在本研究中表现为一种减磨机制;当ZrO_2含量低于10wt%,载荷小于125N时,相变增韧减磨机制不明显,硬度起主要作用,磨损机制是塑性变形和微断裂;高载荷时的磨损机制是脆性断裂。随ZrO_2含量的增加相变增韧减磨作用得到发挥,磨损机制是塑性变形和脆性断裂,耐磨性增加。 武汉理工大学博士学位论文 在ADZ区,高弹性模量的A12O3作为弥散分布的第二相发挥了弥散补强效 应,起到了钉扎、偏转、弯曲、分叉裂纹以及抑制ZrOZ晶粒长大的作用。随着 A12O3的增加,弥散补强效应与基体ZrOZ的相交增韧作用相互叠加,使抗弯强度 和断裂韧性都单调地增加;A12O。的弥散补强增韧和 ZrO。应力诱导相交增韧的共 同作用,改善了复相陶瓷的耐磨性;复相陶瓷的耐磨性随A12O3含量的增加而增 加;低载荷时的磨损机制主要是塑性变形;高载荷时的磨损机制主要是沿晶断一 裂和晶粒拔出的脆性断裂。 在TZ区,(YCe)E 复相陶瓷的力学性能和摩擦磨损特性介于ZTA 区和ADZ区之间,表现较为复杂。当ZrOZ含量为60wt%时,ZtoZ与A12O3的 体积含量相当,A12O3和ZrOZ互为基体和弥散分布相,晶粒间主要作用力的变化 是化学键力减弱而机械叠合力增强,其晶界强度下降,ZrO。的应力诱导相交增 韧和A12O3的弥散补强两种作用都被削弱,复相陶瓷的抗弯强度和断裂韧性均呈 现谷值,耐磨性也在TZ区中也最差,磨损机制主要是脆性断裂。


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