機(jī)械合金化和熱壓燒結(jié)陶瓷的組織與力學(xué)性能研究

丁秀榮

(赤峰工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,內(nèi)蒙古赤峰 024000)

Si-B-C-N 陶瓷由于具有硬度高、熱穩(wěn)定性好、抗氧化性能高等特性而被廣泛應(yīng)用于對材料有耐高溫要求的領(lǐng)域,如飛行器、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等。雖然目前已經(jīng)開發(fā)出的高溫合金、金屬間化合物以及C/C 復(fù)合材料等體現(xiàn)出了一定的應(yīng)用前景,但是隨著超音速飛行器等對渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)耐高溫材料要求的提高,應(yīng)用在1500℃以上的能夠安全服役的高溫材料則需要更高的高溫穩(wěn)定性和力學(xué)性能[1-2],而目前開發(fā)出的單相陶瓷材料(SiC、Si3N4)以及其他高溫合金材料在溫度1500℃以上會(huì)出現(xiàn)抗氧化性能和力學(xué)性能降低的現(xiàn)象[3-4],因此,有必要進(jìn)一步開發(fā)出具有良好高溫性能和力學(xué)性能的復(fù)合陶瓷材料[5]。本文通過機(jī)械合金化和熱壓燒結(jié)的 方法,考察了在傳統(tǒng)Si-B-C-N 陶瓷中添加一定量Zr 和B 對熱壓燒結(jié)陶瓷顯微組織和力學(xué)性能的影響,結(jié)果將有助于高熱穩(wěn)定性和高綜合力學(xué)性能的陶瓷材料的開發(fā)與應(yīng)用。

1 試驗(yàn)材料與方法

硅粉(Si,99.6%)、氮化硼(BN,99.8%)、石墨(C,99.6%)、鋯粉(Zr,99.7%)和硼粉(B,99.8%)為原料,采用機(jī)械合金化的方法制備了Si-B-C-N-Zr 陶瓷粉末,具體成分配比見表1。

表1 陶瓷粉末的成分配比(摩爾比)Table 1 Composition ratio of ceramic powder (molar ratio)

采用DECО 德科超高效行星式高能球磨機(jī)對Si-BC-N-Zr 陶瓷粉末進(jìn)行有高純氬氣保護(hù)的氛圍下球磨,對磨球?yàn)棣?0mm 氮化硅,球料比設(shè)定為18:1,球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為580r/min,球磨時(shí)間為36h,其中每間隔12h 停機(jī)15min 以確保球磨溫度不要過高。在SPSXSKT-1700-等離子熱壓燒結(jié)爐中進(jìn)行熱壓燒結(jié),燒結(jié)溫度為1900℃、壓強(qiáng)為40MPa,保護(hù)氣為N2,燒結(jié)保溫時(shí)間為0.5h,燒結(jié)結(jié)束后隨爐冷卻至室溫,制備得到SZ1T1900、SZ2T1900 和SZ3T1900 陶瓷,以下簡稱陶瓷A、陶瓷B和陶瓷C。

采用日本島津XRD-6000 型X 射線衍射儀對熱壓燒結(jié)陶瓷進(jìn)行物相分析,掃描速度為5°/min,Cu 靶Kɑ 輻射；采用S-4800 型鎢燈絲掃描電鏡對熱壓燒結(jié)陶瓷進(jìn)行顯微形貌觀察；采用Instron 5569 型液壓伺服萬能拉伸機(jī)對熱壓燒結(jié)陶瓷進(jìn)行抗彎強(qiáng)度和彈性模量測試；采用單邊缺口梁試驗(yàn)對熱壓燒結(jié)陶瓷進(jìn)行斷裂韌性測試,試樣尺寸為2mm×4mm×20mm,壓頭速率為0.1mm/min,切口深度、寬度和跨距分別為2mm、0.2mm 和16mm；維氏硬度測試采用Wilson-Tukon 2500 全自動(dòng)維氏硬度計(jì)進(jìn)行,載荷1000g,保載時(shí)間10s,取5 個(gè)點(diǎn)平均值作為測試結(jié)果。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

圖1 為不同成分配比的熱壓燒結(jié)陶瓷的X 射線衍射分析結(jié)果。陶瓷A、陶瓷B 和陶瓷C 經(jīng)過相同的熱壓燒結(jié)工藝處理后,主要物相都為ZrB2、BN(C)、ZrN、SiC、m-ZrО2和ZrОx相,物相種類并沒有隨著Zr 和B含量增加而改變；但是對比分析可知,陶瓷B 和陶瓷C中的SiC 衍射峰會(huì)相對較弱,而ZrB2和ZrN 衍射峰較強(qiáng),這也就說明,熱壓燒結(jié)Si-B-C-N-Zr 陶瓷中ZrB2和ZrN含量會(huì)隨著Zr 和B 含量增加而增多[6],但同時(shí)也會(huì)在陶瓷中形成m-ZrО2和ZrОx雜質(zhì)相。

圖1 熱壓燒結(jié)陶瓷的XRD 圖譜Fig.1 XRD pattern of hot pressed sintered ceramics

圖2 為不同成分配比的熱壓燒結(jié)陶瓷的掃描電鏡顯微形貌。低倍下可見,陶瓷A、陶瓷B 和陶瓷C的顯微形貌相似(圖2a、圖2c 和圖2e),三種陶瓷的成分配比不同而熱壓燒結(jié)工藝相同,因此,熱壓燒結(jié)后陶瓷表面都存在一定數(shù)量的氣孔,但是未見其它裂紋等缺陷存在；高倍顯微形貌中可見氣孔較小且呈不規(guī)則形狀,整體呈現(xiàn)出片層狀組織特征(圖2b、圖2d 和圖2f)。

圖2 熱壓燒結(jié)陶瓷的SEM 形貌：(a,b)陶瓷A(c,d)陶瓷B(e,f)陶瓷CFig.2 SEM morphology of hot pressed sintered ceramics

圖3 為不同成分配比的熱壓燒結(jié)陶瓷的密度統(tǒng)計(jì)結(jié)果。雖然圖2的熱壓燒結(jié)陶瓷的顯微形貌觀察結(jié)果中可見3 種陶瓷的顯微形貌差異性不大,但是密度分析結(jié)果可見,相同熱壓燒結(jié)工藝處理后陶瓷的密度從大至小順序?yàn)?陶瓷C>陶瓷B>陶瓷A,即熱壓燒結(jié)陶瓷的密度會(huì)隨著Zr 和B 含量的增加而增大,陶瓷C的密度達(dá)到3.98g/cm3。

圖3 熱壓燒結(jié)陶瓷的密度統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.3 Statistical results of density of hot pressed sintered ceramics

圖4 為不同成分配比的熱壓燒結(jié)陶瓷的抗彎強(qiáng)度測試結(jié)果。對比分析可知,相同熱壓燒結(jié)工藝處理后陶瓷的抗彎強(qiáng)度從大至小順序?yàn)?陶瓷C>陶瓷B>陶瓷A,即熱壓燒結(jié)陶瓷的抗彎強(qiáng)度會(huì)隨著Zr 和B 含量的增加而增大,陶瓷C的抗彎強(qiáng)度達(dá)到303MPa,約為陶瓷A的1.5倍,這可能與Zr 和B 含量的增加提升了熱壓燒結(jié)陶瓷的致密度有關(guān)[7-8]。

圖4 熱壓燒結(jié)陶瓷的抗彎強(qiáng)度測試結(jié)果Fig.4 Bending strength test results of hot pressed sintered ceramics

圖5 為不同成分配比的熱壓燒結(jié)陶瓷的斷裂韌性測試結(jié)果。對比分析可知,相同熱壓燒結(jié)工藝處理后陶瓷的斷裂韌性從大至小順序?yàn)?陶瓷C>陶瓷B>陶瓷A,即熱壓燒結(jié)陶瓷的斷裂韌性會(huì)隨著Zr 和B 含量的增加而增大,陶瓷C的斷裂韌性達(dá)到2.92 MPa?m1/2,約為陶瓷A的1.24 倍。可見,熱壓燒結(jié)陶瓷的斷裂韌性的變化規(guī)律與抗彎強(qiáng)度一致。

圖5 熱壓燒結(jié)陶瓷的斷裂韌性測試結(jié)果Fig.5 Test results of fracture toughness of hot pressed sintered ceramics

圖6 為不同成分配比的熱壓燒結(jié)陶瓷的彈性模量測試結(jié)果。對比分析可知,相同熱壓燒結(jié)工藝處理后陶瓷的彈性模量從大至小順序?yàn)?陶瓷A>陶瓷B>陶瓷C,即熱壓燒結(jié)陶瓷的彈性模量會(huì)隨著Zr 和B 含量的增加而減小,陶瓷C的彈性模量達(dá)到198 MPa,約為陶瓷A的81.8%。究其原因,這主要是因?yàn)闊釅簾Y(jié)陶瓷中ZrB2相的含量會(huì)隨著Zr 和B 含量增加而增多,而SiC 相的彈性模量要大于ZrB2相[9],因此,熱壓燒結(jié)陶瓷會(huì)隨著Zr和B 含量增加而呈現(xiàn)彈性模量降低趨勢。

圖6 熱壓燒結(jié)陶瓷的彈性模量測試結(jié)果Fig.6 Test results of elastic modulus of hot pressed sintered ceramics

圖7 為不同成分配比的熱壓燒結(jié)陶瓷的維氏硬度測試結(jié)果。對比分析可知,相同熱壓燒結(jié)工藝處理后陶瓷的維氏硬度從大至小順序?yàn)?陶瓷C>陶瓷B>陶瓷A,即熱壓燒結(jié)陶瓷的維氏硬度會(huì)隨著Zr 和B 含量的增加而增大,陶瓷C的維氏硬度達(dá)到5.99GPa,約為陶瓷A的1.68 倍。究其原因,這主要是因?yàn)闊釅簾Y(jié)陶瓷中ZrB2相的含量會(huì)隨著Zr 和B 含量增加而增多,而SiC 相的維氏硬度要小于高硬度ZrB2相[10],因此,熱壓燒結(jié)陶瓷會(huì)隨著Zr 和B 含量增加而呈現(xiàn)維氏硬度增加的趨勢。

圖7 熱壓燒結(jié)陶瓷的維氏硬度測試結(jié)果Fig.7 Vickers hardness test results of hot pressed sintered ceramics

3 結(jié)論

1)陶瓷A、陶瓷B 和陶瓷C 經(jīng)過相同的熱壓燒結(jié)工藝處理后,主要物相都為ZrB2、BN(C)、ZrN、SiC、m-ZrО2和ZrОx相,物相種類并沒有隨著Zr 和B 含量增加而改變；但是熱壓燒結(jié)Si-B-C-N-Zr 陶瓷中ZrB2和ZrN 含量會(huì)隨著Zr 和B 含量增加而增多,但同時(shí)也會(huì)在陶瓷中形成m-ZrО2和ZrОx雜質(zhì)相。

2)三種陶瓷的成分配比不同而熱壓燒結(jié)工藝相同,熱壓燒結(jié)后陶瓷表面都存在一定數(shù)量的氣孔,但是未見其它裂紋等缺陷存在；高倍下顯微形貌中可見氣孔較小且呈不規(guī)則形狀,整體呈現(xiàn)出片層狀組織特征。

3)相同熱壓燒結(jié)工藝處理后陶瓷的密度、抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性和維氏硬度從大至小順序?yàn)?陶瓷C>陶瓷B>陶瓷A,即熱壓燒結(jié)陶瓷的密度、抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性和維氏硬度會(huì)隨著Zr 和B 含量的增加而增大；相同熱壓燒結(jié)工藝處理后陶瓷的彈性模量從大至小順序?yàn)?陶瓷A>陶瓷B>陶瓷C。