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Al_2O_3·ZrO_2金属陶瓷制备及性能研究

作 者: 彭振文
导 师: 李荐
学 校: 中南大学
专 业: 材料学
关键词: Al2O3·ZrO2复合粉末 金属陶瓷 增韧机理 抗热震性 热模拟
分类号: TG148
类 型: 硕士论文
年 份: 2009年
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内容摘要


氧化铝金属陶瓷具有良好的高温强度,是一种新型高温模具材料。由于氧化铝金属陶瓷断裂韧性低,限制了其在某些领域的应用,因此改善氧化铝金属陶瓷的断裂韧性是当前研究的重点。氧化锆增韧氧化铝金属陶瓷是一条重要途径,本研究提出以Al2O3·ZrO2复合粉末为原料,采用真空烧结和热压烧结工艺制备Al2O3·ZrO2(15wt.%)/W(40 wt.%)/Cr(25wt.%)/Ni(15wt.%)/Co(5wt.%)金属陶瓷,并与不加ZrO2的Al2O3/W/Cr/Ni/Co金属陶瓷及加ZrO2的Al2O3/ZrO2/W/Cr/Ni/Co金属陶瓷进行了性能的对比研究,采用金相分析、XRD、SEM/EDS、TEM、SENB等分析手段,对上述3种金属陶瓷材料微观组织和力学性能进行了详细研究;并对材料的断裂机理进行分析和探讨,还通过高温抗热震实验考察了Al2O3·ZrO2/W/Cr/Ni/Co金属陶瓷抗热震性能和提出了采用高温压缩热模拟实验研究其高温压缩下的变形行为。得到如下主要结论:(1)采用真空烧结法制备Al2O3·ZrO2(15 wt.%)/W(40 wt.%)/Cr(25 wt.%)/Ni(15wt.%)/Co(5 wt.%)金属陶瓷的相对致密度为74.2%,而热压烧结法制备的Al2O3·ZrO2(15 wt.%)/W(40 wt.%)/Cr(25 wt.%)/Ni(15 wt.%)/Co(5 wt.%)金属陶瓷相对致密度达到97.4%,表明热压烧结工艺更有利于提高制品的致密度。(2)采用热压烧结法制备的Al2O3·ZrO2(15 wt.%)/W(40 wt.%)/Cr(25 wt.%)/Ni(15wt.%)/co(5 wt.%)金属陶瓷材料的断裂韧性为7.23 MPa.m1/2,与Al2O3/W/Cr/Ni/Co、Al2O3/ZrO2/W/Cr/Ni/Co金属陶瓷材料相比其断裂韧性提高了约30%,表明以Al2O3·ZrO2复合粉末制备的金属陶瓷材料,具有较好的断裂韧性。这是由于在Al2O3·ZrO2/W/Cr/Ni/Co金属陶瓷中保留了较多的四方相氧化锆(t-ZrO2),t-ZrO2的相变增韧作用提高了金属陶瓷的断裂韧性。(3)与A1203/W/Cr/Ni/Co、Al2O3/ZrO2/W/Cr/Ni/Co金属陶瓷相比,Al2O3·ZrO2/W/Cr/Ni/Co金属陶瓷具有较高的热震临界温度△Tc(380℃),其在AT=300℃下循环水淬35次,裂纹无明显扩展,具有更好的抗热震性能。(4)通过高温压缩热模拟试验考察了Al2O3·ZrO2/W/Cr/Ni/Co金属陶瓷的在高温下的变形规律,研究表明Al2O3·ZrO2/W/Cr/Ni/Co金属陶瓷比Al2O3/W/Cr/Ni/Co、Al2O3/ZrO2/W/Cr/Ni/Co金属陶瓷具有更好的高温韧性,不容易开裂失效。建立了Al2O3·ZrO2/W/Cr/Ni/Co金属陶瓷的应力-应变本构方程为分段函数:

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-5
目录  5-7
第一章 文献综述  7-21
  1.1 引言  7
  1.2 氧化铝金属陶瓷的概述  7-16
    1.2.1 氧化铝金属陶瓷的发展历程  8-9
    1.2.2 氧化铝金属陶瓷复合材料的设计原则  9-12
    1.2.3 氧化铝金属陶瓷的增韧机理  12-13
    1.2.4 氧化铝金属陶瓷的制备  13-16
  1.3 Al_2O_3/ZrO_2金属陶瓷介绍  16-20
    1.3.1 金属陶瓷的组元  16-19
    1.3.2 金属陶瓷的性能及应用  19-20
  1.4 本课题选题意义和研究内容  20-21
第二章 实验方案及研究方法  21-29
  2.1 基本思路  21
  2.2 主要研究内容  21-22
  2.3 主要技术路线  22-23
  2.4 实验研究方法  23-29
    2.4.1 致密度测试  23-24
    2.4.2 维氏硬度测试  24
    2.4.3 横向断裂强度测试  24-25
    2.4.4 断裂韧性测试  25-26
    2.4.5 X-ray衍射分析  26
    2.4.6 烧结样品的金相分析  26-27
    2.4.7 SEM分析  27
    2.4.8 TEM分析  27
    2.4.9 润湿性的研究  27-28
    2.4.10 高温抗热震性能试验  28
    2.4.11 高温热模拟压缩试验  28-29
第三章 Al_2O_3·ZrO_2金属陶瓷的制备  29-47
  3.1 实验原料  29
  3.2 Al_2O_3·ZrO_2复合粉末相组成的研究  29-33
    3.2.1 Al_2O_3·ZrO_2复合粉末结构表征  30-32
    3.2.2 机械球磨对的Al_2O_3·ZrO_2复合粉末中ZrO_2相的组成的影响  32-33
  3.3 润湿性研究  33-36
  3.4 烧结工艺过程及对Al_2O_3·ZrO_2金属陶瓷性能的影响  36-44
    3.4.1 真空烧结制备  36-40
    3.4.2 热压烧结制备  40-42
    3.4.3 检测及分析  42-44
  3.5 热压烧结制备Al_2O_3·ZrO_2金属陶瓷  44-46
    3.5.1 机械球磨后混合粉末的形貌  44-45
    3.5.2 热压烧结制备3种金属陶瓷材料  45-46
  3.6 结论  46-47
第四章 Al_2O_3·ZrO_2金属陶瓷室温性能研究  47-53
  4.1 Al_2O_3·ZrO_2金属陶瓷显微组织观察  47-49
  4.2 Al_2O_3·ZrO_2金属陶瓷的断裂韧性及增韧机理  49-52
    4.2.1 Al_2O_3·ZrO_2金属陶瓷的断裂韧性检测结果  50
    4.2.2 Al_2O_3·ZrO_2金属陶瓷的增韧机理分析  50-52
  4.3 本章小结  52-53
第五章 Al_2O_3·ZrO_2金属陶瓷高温性能研究  53-66
  5.1 Al_2O_3·ZrO_2金属陶瓷的高温抗热震性能研究  53-58
    5.1.1 急冷-强度法研究Al_2O_3·ZrO_2金属陶瓷材料的抗热震性能  54-57
    5.1.2 压痕-急冷法研究金属陶瓷材料的抗热震性能  57-58
  5.2 Al_2O_3·ZrO_2金属陶瓷高温抗压缩热模拟行为研究  58-65
    5.2.1 高温压缩真应力-真应变曲线  59-62
    5.2.2 Al_2O_3·ZrO_2金属陶瓷热变形的数学建模  62-65
  5.3 本章小结  65-66
第六章 结论与展望  66-68
  6.1 主要结论  66-67
  6.2 展望  67-68
参考文献  68-72
致谢  72-73
硕士学习期间发表的论文、专利  73

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属学与热处理 > 金属材料 > 金属陶瓷材料
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