ZrO-,2-（3Y）-Nb-Ti-Cr復合材料的研究.pdf

1、四方氧化鋯(TZP)陶瓷是陶瓷材料中室溫力學性能最高的一種材料，但TZP材料除了具有陶瓷材料所固有的脆性之外，由于應力誘導相變對溫度的敏感性，在高溫下t-ZrO2的穩(wěn)定性增高，導致相變增韌失效，致使材料的強度和韌性隨溫度上升而急劇下降。加之在低溫環(huán)境下時效導致強度和韌性下降(低溫老化)、及由低導熱率和高熱膨脹系數(shù)引起的較差的抗熱震性能等缺點大大削弱了其與金屬材料的競爭優(yōu)勢，限制了其的規(guī)模開發(fā)和應用。尋求一種新的復合思路和方法，進一步改善

2、TZP的力學性能，無疑對拓寬其應用領域，增加其與金屬材料的競爭力具有重要意義。 利用鈮基金屬間化合物的高溫強度、高溫蠕變和抗氧化耐腐蝕性能優(yōu)于大部分金屬材料、韌性優(yōu)于陶瓷材料的特性，并根據(jù)Nb-Ti-Cr較ZrO2高的熱嘭脹系數(shù)、較高的熱導率及金屬間化合物所特有的在一定濕度范圍內強度隨溫度升高的特性，可望在增韌的同時改善Zr02的抗熱震性能，依據(jù)這一思路，設計制備了新型Zr02(3Y)/Nb-Ti-Cr復含材料。并對復合材料制各

3、工藝、微觀結構、力學性能及增韌機制進行了系統(tǒng)研究。 根據(jù)熱力學原理，考察了Nb-Ti-Cr系會屬間化合物與ZrO2陶瓷基體的化學相容性。結果表明，在試驗溫度下，Nb-Ti-Cr系金屬間化合物與ZrO2基體不易發(fā)生化學反應。XRD、SEM及TEM分析驗證了這一結論。實驗觀察表明產物Nb-Ti-Cr與基體ZrO2(3Y)之間界面干凈，無反應層的存在，因此，Nb-Ti-Cr可以做為基體Zr02增韌相。 利用SEM、TEM、ED

4、S、HREM研究了ZrO2(3Y)/Nb-Ti-Cr復合材料的微觀結構。增韌相Nb-Ti-Cr的晶粒尺寸在2um左右;ZrO2的晶粒尺寸為100-300nm。隨著Nb-Ti-Cr含量的增加，復合材料的斷裂韌性和強度均有不同程度的提高。當Nb-Ti-Cr含量為40vol％時，KIC高達12.4MPa·m1/2，為單相ZrO2(3Y)的2倍，бf達466MPa，硬度為84HRA。雖然復合材料的硬度隨著Nb-Ti-Cr含量的增加呈緩慢下降趨勢

5、，但出于ZrO2粒子對Nb-Ti-Cr晶界的釘扎產生的晶粒細化作用、及內晶ZrO2粒子與Nb-Ti-Cr中的位錯產生的交互作用，因此復合材料的硬度的降幅不甚明顯。 探討了Nb-Ti-Cr對ZrO2(3Y)基復合材料的強韌化機制的影響，研究發(fā)現(xiàn)金屬問化合物的摻入細化了材料的晶粒，并使材料的斷裂模式由沿晶斷裂轉變?yōu)橐源┚嗔褳橹鞯幕旌蠑嗔涯Ｊ?，以及形成的位錯等使得復合材料強度大幅度提高；裂紋的偏轉和橋聯(lián)是提高復合材料韌性的主要原因。

6、 以已有的相變增韌和橋聯(lián)增韌的理論為基礎，利用跟蹤小裂紋壓痕法測試了ZrO2(3Y)/Nb-Ti-Cr復合材料的R曲線，并利用XRD及Ramam測定了復合材料的相變高度和可相變體積分數(shù)，定量地探討了復合材料的增韌行為。 采用殘余強度法和壓痕-淬冷技術測試了單相ZrO2(3Y)及ZrO2(3Y)/Nb-Ti-Cr復合材料的抗熱震性能，并用諸抗熱震參數(shù)(R、R’和R")分析了熱震性與性能參數(shù)之間的關系，同時分析了R曲線與抗熱

7、震性能之間的相關性，并對單相Zr02(3Y)及Zr02(3Y)/Nb-Ti-cr復合材料的壓痕裂紋在熱震作用下的擴展模式進行研究。結果表明，Nb-Ti-Cr的加入使復合材料的抗熱震性能明顯提高。當Nb-Ti-Cr為50vol％時，△Tc由單相ZrO2(3Y)的220℃左右提高至475℃。分析認為，相對于單相ZrO2(3Y)，復合材料較高的導熱率和較低的彈性模量可有效緩解熱應力，從而可吸收較多的彈性應變能而不致開裂，進而提高抗熱震斷裂能力