ZrO-,2-（3Y）-Nb-Ti-Cr復(fù)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(xué)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(yīng)力誘導(dǎo)相變對(duì)溫度的敏感性，在高溫下t-ZrO2的穩(wěn)定性增高，導(dǎo)致相變?cè)鲰g失效，致使材料的強(qiáng)度和韌性隨溫度上升而急劇下降。加之在低溫環(huán)境下時(shí)效導(dǎo)致強(qiáng)度和韌性下降(低溫老化)、及由低導(dǎo)熱率和高熱膨脹系數(shù)引起的較差的抗熱震性能等缺點(diǎn)大大削弱了其與金屬材料的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，限制了其的規(guī)模開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。尋求一種新的復(fù)合思路和方法，進(jìn)一步改善

2、TZP的力學(xué)性能，無(wú)疑對(duì)拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，增加其與金屬材料的競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。 利用鈮基金屬間化合物的高溫強(qiáng)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(dǎo)率及金屬間化合物所特有的在一定濕度范圍內(nèi)強(qiáng)度隨溫度升高的特性，可望在增韌的同時(shí)改善Zr02的抗熱震性能，依據(jù)這一思路，設(shè)計(jì)制備了新型Zr02(3Y)/Nb-Ti-Cr復(fù)含材料。并對(duì)復(fù)合材料制各

3、工藝、微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能及增韌機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)研究。 根據(jù)熱力學(xué)原理，考察了Nb-Ti-Cr系會(huì)屬間化合物與ZrO2陶瓷基體的化學(xué)相容性。結(jié)果表明，在試驗(yàn)溫度下，Nb-Ti-Cr系金屬間化合物與ZrO2基體不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。XRD、SEM及TEM分析驗(yàn)證了這一結(jié)論。實(shí)驗(yàn)觀察表明產(chǎn)物Nb-Ti-Cr與基體ZrO2(3Y)之間界面干凈，無(wú)反應(yīng)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(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)。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(fù)合材料的斷裂韌性和強(qiáng)度均有不同程度的提高。當(dāng)Nb-Ti-Cr含量為40vol％時(shí)，KIC高達(dá)12.4MPa·m1/2，為單相ZrO2(3Y)的2倍，бf達(dá)466MPa，硬度為84HRA。雖然復(fù)合材料的硬度隨著Nb-Ti-Cr含量的增加呈緩慢下降趨勢(shì)

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

6、 以已有的相變?cè)鲰g和橋聯(lián)增韌的理論為基礎(chǔ)，利用跟蹤小裂紋壓痕法測(cè)試了ZrO2(3Y)/Nb-Ti-Cr復(fù)合材料的R曲線，并利用XRD及Ramam測(cè)定了復(fù)合材料的相變高度和可相變體積分?jǐn)?shù)，定量地探討了復(fù)合材料的增韌行為。 采用殘余強(qiáng)度法和壓痕-淬冷技術(shù)測(cè)試了單相ZrO2(3Y)及ZrO2(3Y)/Nb-Ti-Cr復(fù)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(guān)系，同時(shí)分析了R曲線與抗熱

7、震性能之間的相關(guān)性，并對(duì)單相Zr02(3Y)及Zr02(3Y)/Nb-Ti-cr復(fù)合材料的壓痕裂紋在熱震作用下的擴(kuò)展模式進(jìn)行研究。結(jié)果表明，Nb-Ti-Cr的加入使復(fù)合材料的抗熱震性能明顯提高。當(dāng)Nb-Ti-Cr為50vol％時(shí)，△Tc由單相ZrO2(3Y)的220℃左右提高至475℃。分析認(rèn)為，相對(duì)于單相ZrO2(3Y)，復(fù)合材料較高的導(dǎo)熱率和較低的彈性模量可有效緩解熱應(yīng)力，從而可吸收較多的彈性應(yīng)變能而不致開(kāi)裂，進(jìn)而提高抗熱震斷裂能力