TiO₂ 添加量對ZTA陶瓷及ZTA/ZMn13復(fù)合材料 力學(xué)性能的影響

中圖分類號：GT74 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract： This paper investigates the effects of TiO ² addition on the composition，microstructure，mechanical properties，and wear resistance of ZTA/ZMn13 composite materials.The results show that the density of ZTA ceramic increases first and then decreases with increasing firing temperature and TiO₂ addition.When the firing temperature is 1600^°C and the TiO₂ addition is 2wt.% ，the ZTA ceramic has the best comprehensive properties ： the relative density reaches the highest value of 98.73% ，the flexural strength is （ 429.60±24.56 ）MPa，the Vickers hardness（HV）is （ 1691.73±120.65 ）N/mm2，the fracture toughness is （7.24±0.38 ）MPa·m^1/2 .At 1450^°C ，the contact angle between ZTA and ZMn13 melt decreases with increasing TiO ² addition，because the TiO ² on the surface of ZTA isconnected to the ZMnl3substrate through Ti—O—Fe bonds，thus improving the interfacial wettability between ZTA and ZMn13 substrate. The ZTA ceramic particles prepared as a three dimensional porous preform are castat145O C to prepare the ZTA/ZMnl3 composite materials.Theflexural strength of the material increases first and then decreases with increasing TiO content in ZTA，reaching a maximum value of 273.63 MPa when TiO （20 content is 2 wt. % . Compared with the ZTA/ZMn13 composite materials prepared without TiO （201.72 MPa），its ² strength is increased by 35.63% ，and its wear resistance is improved by 21.98% under three-body wear conditions.

Key words：ZTA;iron-based composite materials； sintering aids；mechanical properties；wear resistance

相比傳統(tǒng)的鐵基耐磨材料，陶瓷增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料具有耐磨性能好、使用壽命長、性價(jià)比高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于無機(jī)材料生產(chǎn)、建筑垃圾回收、礦山開采等領(lǐng)域[1-3].氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷（ZTA）因其價(jià)格低廉、生產(chǎn)工藝簡單、力學(xué)性能優(yōu)異、耐磨和耐腐蝕性良好、高溫性能穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為目前鐵基復(fù)合耐磨材料中最常用的陶瓷增強(qiáng)體.為獲得綜合性能優(yōu)異的ZTA/Fe基復(fù)合耐磨材料，有學(xué)者研究了燒結(jié)助劑對ZTA陶瓷顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響，如王澤楷等發(fā)現(xiàn) Cr₂O₃ 會促進(jìn)ZTA陶瓷燒結(jié)過程中 Al₂O₃ 晶粒的生長，且在 Cr₂O₃ 添加量為 0.6% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)具有最佳性能4；王亞軍等發(fā)現(xiàn)在ZTA基陶瓷中，TiC添加量約為 8% （體積分?jǐn)?shù)）時(shí)，ZTA綜合力學(xué)性能最佳，其抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性分別達(dá)到了383.4MPa 和 6.28MPa?m^1/2[5] ;郭亞威發(fā)現(xiàn) MgAl₂O₄ 添加量為 15% （體積分?jǐn)?shù)）時(shí)，燒結(jié)后的ZTA陶瓷的彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性達(dá)到最大值，分別為 1056MPa 和（204號 8.55MPa?m^1/2[6]. 但以往研究主要集中在燒結(jié)助劑種類及添加量對ZTA陶瓷力學(xué)性能的影響，還未有研究探討燒結(jié)助劑對ZTA陶瓷與Fe基體的潤濕性及ZTA/Fe基復(fù)合材料耐磨性能的影響.

基于此，本文探究了燒結(jié)助劑 TiO₂ 的添加量對ZTA陶瓷組成、微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能的影響并探討了相應(yīng)機(jī)理；以ZTA/Fe基復(fù)合材料中常用的基體材料ZMn13作為基材制備了ZTA/ZMn13復(fù)合材料，探究了 TiO₂ 的添加量對ZTA/ZMn13復(fù)合材料耐磨性能的影響，并探討了相應(yīng)機(jī)理，為高性能ZTA/Fe基復(fù)合耐磨材料的開發(fā)提供一定的理論參考.

1實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)原料及配方設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)材料： Al₂O₃ 粉[濟(jì)源市更新瓷料有限公司，D₅₀=1.5μm ，純度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） ?99% ]； TiO₂ [上海阿拉丁生化科技股份有限公司， D₅₀=100nm ，純度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） ?99% 」； 3Y-Zr0₂| 濟(jì)源市更新瓷料有限公司，D₅₀=1.5μm ，純度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） ?99% ]；聚乙烯醇（PVA-1788，上海阿拉丁生化科技股份有限公司，AR）；鋁溶膠（ Al₂0₃ 固含量 20%～25% ，德州市晶火技術(shù)玻璃有限公司）.

不同 TiO₂ 添加量的ZTA樣品配方如表1所示[7].

表1不同 TiO₂ 添加量的ZTA陶瓷樣品配方（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1FormulasofZTAceramicsampleswithdifferent

1.2ZTA陶瓷樣品及ZTA/ZMn13基復(fù)合材料的制備

ZTA陶瓷樣品制備：按表1稱量所需粉料，分別加至剛玉球磨罐中，以乙醇為溶劑， 1mmZr0₂ 磨球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì)，在行星式球磨機(jī)上以 400r?min^-1 的速度混料 6n ，乙醇、磨球、料的質(zhì)量比為1：1：1，球磨后烘干粉料，然后加入粉料質(zhì)量 5% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的PVA水溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù) 10% 的固含量），陳腐 24h 后造粒.造粒粉在 100MPa 壓力下壓制成條狀（ 40mm× 5mm×5mm ）、圓片狀 ?12.8mm×3mm 和方片狀生胚 40mm×40mm×8mm）^18] .生坯在 80°C 烘干 24h 后進(jìn)行燒結(jié).燒結(jié)工藝設(shè)計(jì)如下：從室溫到 400°C 的升溫速度為 2°C?min^-1 400～500^°C 的升溫速度為1^°C?min^-1 ， 500～1000^°C 的升溫速度為 2^°C?min^-1 1000^°C 保溫 1h，1000^°C 至目標(biāo)溫度的升溫速度為2^°C?min^-1 ，目標(biāo)溫度保溫 ^2h ，目標(biāo)溫度分別為（204號 1450^°C?1500^°C?1550^°C?1600^°C 和 1650^°C^[9-10]

ZTA/ZMn13復(fù)合材料的制備：將不同配方燒結(jié)后的 40mm×40mm×8mm 的ZTA陶瓷通過輥壓式破碎機(jī)破碎，取位于10目篩下12目篩上的顆粒，作為成型ZTA陶瓷顆粒預(yù)制體的原料，ZTA顆粒中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù) 5% 的鋁溶膠混合均勻，顆粒倒入 200mm× 50mm×50mm 的鋼制模具中， 120°C 烘干 2h 后定型脫模，得到ZTA顆粒多孔預(yù)制體.

將ZTA顆粒預(yù)制體固定在 250mm×60mm× 60mm 的鑄件砂型中部，采用熱風(fēng)機(jī)將固定有ZTA顆粒預(yù)制體的砂型加熱到 600^°C ，使用溫度為1450^°C 的ZMn13熔融鐵水對砂型進(jìn)行澆鑄，澆鑄時(shí)間控制在10s內(nèi)，冷卻后脫模獲得ZTA/ZMn13基復(fù)合材料樣品.

1.3樣品的組成、微觀結(jié)構(gòu)表征及性能測試

采用阿基米德法測定燒結(jié)后ZTA陶瓷的體積密度，根據(jù)混合規(guī)則計(jì)算其理論密度，兩者相比得到材料的相對密度，根據(jù)燒結(jié)前后樣品的尺寸變化，計(jì)算其收縮率[1].

采用X射線衍射儀（XRD，RigakuD/max2200）對燒結(jié)后ZTA的物相組成進(jìn)行分析，射線源為 Cu 靶，角度范圍為 10^°～80^° ，掃描速率為 10（^°）?min^-1

采用環(huán)境掃描電鏡（FEIQuanta200）觀察燒結(jié)后ZTA陶瓷及復(fù)合材料表面和斷面的微觀形貌，操作參數(shù)：工作距離 10mm ，電壓 15kV ；采用NanoMeasurer軟件測量陶瓷的晶粒半徑.

采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)（INSTRON-3382）測定燒結(jié)后ZTA陶瓷的三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度，載荷加載速率為0.5mm^?min^-1 ，跨距 30mm ，同時(shí)依據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率計(jì)算材料的彈性模量.材料的力學(xué)性能測量5次取平均值.

采用自動(dòng)金相磨拋機(jī)（FMP-3000）對燒結(jié)后陶瓷的表面進(jìn)行磨平，拋光處理，然后采用維氏硬度計(jì)[HVS-5Z（B）]測量試樣的維氏硬度.操作參數(shù)：載荷5kg ，保壓10s，測量5次取硬度平均值.基于壓痕產(chǎn)生的裂紋，依據(jù)Niihara提出的裂紋公式計(jì)算材料的斷裂韌性[12]：

3K_tc=0.035（H_a ^1/2）（3E/H）^0.4（l/a）^-0.5

式中： K_IC 為斷裂韌性； H_a 為Vickers硬度； a 為Vickers壓痕對角線長度的一半 （μm） ）；l為徑向裂紋長度 （μm）;E 為樣品的彈性模量.

將 ?6mm×8mm 的 ZMn13 耐磨鋼柱平放在ZTA陶瓷片上，然后將瓷片和 ZMn13 耐磨鋼柱推人耐火度測量儀加熱管中（CNNHD-02A-1800），在氬氣氣氛保護(hù)下以 升溫至 1450^°C ，保溫1h，通過投影測量熔融的 ZMn13 鋼液與ZTA瓷片的接觸角.

通過 XPS（K-Alpha+ ，American）分析 1450°C 澆鑄ZMn13前后的ZTA材料中鈦元素的成鍵情況.測試條件： AlKα 激發(fā)源，靶電壓和靶電流分別為 15kV 和 10mA ，真空度為 2×10^-7Pa ，結(jié)合能參比為烷基碳C1s的 284.8eV ：

采用環(huán)塊三體磨損試驗(yàn)機(jī)（MMH-5，濟(jì)南科盛試驗(yàn)機(jī)設(shè)備有限公司）進(jìn)行ZTA/ZMn13復(fù)合材料的耐磨實(shí)驗(yàn).具體操作條件如下：鋼軌材料為45#退火鋼，硬度 HV980N?mm^-2 ，外徑 350mm ，寬度 20mm ，主軸轉(zhuǎn)速無級可調(diào)，載荷 4kg. 采用石英砂作為研磨介質(zhì)，硬度HV為 1150N?mm^-2 ，粒徑60目.復(fù)合材料三體磨料磨損試樣形狀及尺寸如圖1所示.每個(gè)磨損周期為 120min ，磨損后進(jìn)行超聲波清洗，再次測量體積，重復(fù)4次，計(jì)算磨損后試樣的平均體積損失，以此評價(jià)復(fù)合材料的耐磨性能[13].

圖1 ZTA/ZMn13 復(fù)合材料的三體磨料磨損示意圖（單位： mm ） Fig.1 Schematic diagram oftribo-wearofZTA/ZMn13 compositematerials（unit：mm）

2結(jié)果與討論

2.1燒結(jié)溫度及 TiO₂ 添加量對ZTA陶瓷組成、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響

圖2為不同 TiO₂ 添加量在不同溫度燒結(jié)后所得ZTA陶瓷的燒結(jié)收縮率及相對密度數(shù)據(jù)曲線.從圖2（a）中可以看出，4種配方的樣品燒結(jié)收縮率均隨燒結(jié)溫度的升高先增加后下降，且都在 1600^°C 時(shí)達(dá)到最大值，其中 TiO₂ 添加量為 2% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的3#樣品的燒結(jié)體致密度達(dá)到了 98.73% .這是因?yàn)樵跓Y(jié)過程中，物質(zhì)通過擴(kuò)散向顆粒間頸部和氣孔部位填充，形成晶界并不斷擴(kuò)大，最終晶粒之間相互連接，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).當(dāng)溫度不斷升高，擴(kuò)散推動(dòng)力增加，會使一些原本難以排出的微小氣孔被推至晶界處消除，這個(gè)過程在 1600°C 時(shí)達(dá)到臨界狀態(tài)；繼續(xù)升高溫度至 1650^°C ，更高的溫度會導(dǎo)致晶界移動(dòng)速度過快，本應(yīng)被排出氣孔來不及逸散便被包裹在大晶粒內(nèi)部，反而導(dǎo)致試樣的收縮率和相對體積密度下降[4].當(dāng)燒結(jié)溫度不變時(shí)，隨著ZTA陶瓷中 TiO₂ 添加量的增加，試樣的收縮率和相對體積密度先上升后下降，在添加量為 2% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)達(dá)到最高值.

圖3為不同 TiO₂ 添加量在 1600^°C 燒結(jié)2h所得ZTA陶瓷的XRD圖譜.從圖中可以看到，4種試樣的XRD圖譜基本一致，在 35.15^°，43.36^°，57.50^° 存在的衍射峰對應(yīng)于 α-Al₂O₃ 的特征峰，表明各樣品中Al₂O₃ 以剛玉相存在[15].另外，XRD圖譜中位于30.22^° 22^°，50.22^° 60.20^° 的衍射峰對應(yīng)于四方相氧化鋯0 （t-Zr0₂ 的特征峰；而 28.05^°?31.33^° 歸于單斜相氧化鋯 m-Zr0₂ 的特征峰，這表明粉料中大部分 ZrO₂ 燒結(jié)后仍保持四方相狀態(tài)， Y₂O₃ 起到了較好的穩(wěn)定效果.

圖4為試樣在 1600^°C 燒結(jié)所得ZTA陶瓷的斷面微觀形貌圖.從圖4（a）中可以看出，未添加燒結(jié)助劑的1#試樣晶粒尺寸最小，平均晶粒尺寸僅 2.07μm ，晶間氣孔較多；當(dāng) TiO₂ 的添加量為 1% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，晶粒平均尺寸增長到 6.13μm ;進(jìn)一步加大 TiO₂ 的添加量至 2% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)），晶粒平均尺寸達(dá)到 6.77μm 晶間孔隙大幅度減少.這是因?yàn)?TiO₂ 作為固相燒結(jié)劑加入ZTA陶瓷配方中，在燒結(jié)過程中 Ti^?4+ 通過擴(kuò)散進(jìn)入氧化鋁晶格，與 Al³⁺，Zr⁴⁺ 之間發(fā)生置換固溶，使晶格產(chǎn)生缺陷，降低燒結(jié)活化能，從而促進(jìn)ZTA陶瓷燒結(jié)[16-17]，使晶粒長大的同時(shí)排出晶間氣孔；但當(dāng)TiO₂ 的添加量從 2% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）增大至 3% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，平均晶粒尺寸從 6.77μm 增加到 7.72μm ，增長了 14.03% ，收縮率和相對密度反而下降，是因?yàn)門i⁴⁺ 的原子半徑大于 Al³⁺ 的原子半徑，兩者之間只能形成有限置換固溶體[18]，一旦過量， TiO₂ 便容易與

圖2燒結(jié)溫度對不同 TiO₂ 添加量ZTA陶瓷的燒結(jié)收縮率及相對密度的影響

圖31600℃燒結(jié)2h所得ZTA陶瓷的XRD圖譜Fig.3 XRD patternsof ZTA ceramics sinteredat 1600^°C for 2h

ZTA中的 Al₂O₃ 和 ZrO₂ 組分形成阻礙燒結(jié)致密化的二次相，令致密度下降.

表2為試樣在 1600^°C 燒結(jié)所得ZTA陶瓷的力學(xué)數(shù)據(jù).其中1#試樣力學(xué)性能最差，隨著 TiO₂ 的加入，ZTA陶瓷的彎曲強(qiáng)度、彈性模量和斷裂韌性等力學(xué)性能均有不同程度的提高.綜合來看， TiO₂ 含量在 2% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的3#試樣的力學(xué)性能最佳，其彎曲強(qiáng)度、彈性模量和斷裂韌性分別為 429.60MPa.53.67GPa 和 7.24MPa?m^1/2 ，較未添加 TiO₂ 的1#試樣分別提升了 21.9%.29.6% 和 17.7%

表2不同 TiO₂ 添加量的ZTA陶瓷試樣 1600^°C 燒結(jié)后的力學(xué)性能

Tab.2Mechanical properties of ZTA ceramic samples with different TiO₂ additions after sinteringat 1600^°C

2.2 TiO₂ 添加量對ZTA與ZMn13基體潤濕性影響

圖5是 1450^°C 時(shí)不同 TiO₂ 質(zhì)量分?jǐn)?shù)ZTA陶瓷片與ZMn13熔液的接觸角數(shù)據(jù)及照片.從圖中可以看出，隨 TiO₂ 含量從0增加到 2% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）， ZMn13 熔液與ZTA陶瓷的接觸角由 77^° 減小到 65^° ，接觸角下降較快； TiO₂ 含量從 2% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）增加到 3% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，接觸角略有下降，從 65^° 下降到 63^° ，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 TiO₂ 的加人能有效改善 ZMn13 與ZTA陶瓷間潤濕性能.

為進(jìn)一步從原理上分析 TiO₂ 添加量對 ZMn13 與ZTA間潤濕性能的改善機(jī)理，采用XPS解析 1450^°C 澆鑄ZMn13前后，ZTA材料中Ti元素的成鍵情況.圖6（a）為澆鑄前3#樣品ZTA表面的Ti2p的高分辨譜圖，其中 458.54eV 處的Ti 2p_3/2 峰和 464.66eV 處的Ti 2p_1/2 峰對應(yīng)于 Ti⁴⁺ ，主要來源于 TiO₂ 456.91eV 處的Ti 2p_3/2 峰和 463.04eV 處的Ti 2p_1/2 峰對應(yīng)于 Ti³⁺ ，主要來源于 Ti₂0₃^[19] .這也說明Ti元素在ZTA中主要是以 TiO₂ 的形式存在，也存在少量的 Ti₂O₃^[20]. 圖6（b）

圖5 1450^°C 時(shí)不同 TiO₂ 質(zhì)量分?jǐn)?shù)ZTA陶瓷片與 ZMn13 熔液的接觸角數(shù)據(jù)及照片

為3#樣品ZTA在 1450^°C 澆鑄后所得ZTA/ZMn13復(fù)合材料表面的Ti 2p 的高分辨譜圖，發(fā)現(xiàn)橫坐標(biāo)454.20eV 和 460.71eV 處所對應(yīng)的位置出現(xiàn)來源于Ti—O一Fe的峰；因?yàn)闈茶T是在非真空環(huán)境中進(jìn)行，熔融狀態(tài)下的ZMn13熔液與ZTA預(yù)制體接觸時(shí)，會先與ZTA顆粒表面的吸附氧接觸，在高溫下，在ZTA與ZMn13熔液的界面處會生成少量氧化鐵；同時(shí)高溫作用下，ZTA中部分 Ti³⁺ 傾向與陰離子結(jié)合來形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，在ZTA與 ZMn13 熔液的界面處， Ti³⁺ 與氧化鐵形成Fe—O—Ti，使得ZTA與ZMn13的界面潤濕性能提升[22].

2.3 TiO₂ 添加量對復(fù)合材料抗彎和耐磨性能的影響及界面分析

圖7為不同 TiO₂ 含量ZTA顆粒制備的ZTA/ZMn13復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度，結(jié)果表明，隨著ZTA顆粒中 TiO₂ 含量的提高，復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度呈先上升后下降的趨勢， TiO₂ 添加量從0增加 2% （質(zhì)量百分?jǐn)?shù)），復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度從 201.72MPa 提升到273.63MPa. 因3#樣品ZTA/ZMn13復(fù)合材料 添加量 2% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）]抗彎性能最佳，故以下實(shí)驗(yàn)均以3#樣品ZTA/ZMn13復(fù)合材料作為研究對象.

圖8為不同 TiO₂ 含量ZTA顆粒制備ZTA/ZMn13復(fù)合材料的界面顯微形貌.其中較平整淺色區(qū)域?yàn)閆Mn13基體，表面較粗糙區(qū)域?yàn)閆TA.圖8（a）表明，當(dāng)ZTA顆粒中不含 TiO₂ 時(shí)，ZTA顆粒與ZMn13界面結(jié)合處可見分界線明顯，界面處未見二次相析出，但是因?yàn)椴缓?TiO₂ 的ZTA與ZMn13的接觸角較大，潤濕性較差，界面處局部出現(xiàn)空洞和裂縫；相比之下，含 2%TiO₂ （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的ZTA與ZMn13基體的界面未見裂紋、縮孔或氣孔等明顯缺陷，界面處形成嚙合形貌，說明在澆鑄過程中熔融 ZMn13 金屬液與3#樣品ZTA潤濕性良好[23-24].綜合圖6和圖8，在澆鑄過程中ZTA顆粒表面的 TiO₂ 會與熔融 ZMn13 金屬之間發(fā)生反應(yīng)并通過Fe—O—Ti鍵相連接，提高 ZMn13 金屬液對ZTA顆粒的潤濕性，促進(jìn)ZTA顆粒與 ZMn13 基體兩者間形成緊密的結(jié)合界面[25-26].

圖63#樣品ZTA試樣澆鑄 ZMn13 前后 表面Ti2p的高分辨譜圖

Fig.6High resolution spectra of Ti 2p on the surface of3# sampleZTA beforeandafter casting Z_Mn13"（20

圖7不同 TiO₂ 含量ZTA顆粒所制備的ZTA/ZMn13復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度

Fig7BendingstrengthofZTA/ZMn13compositematerials prepared from ZTA ceramic preformswithdifferent TiO₂ contents

圖8不同 TiO₂ 含量ZTA顆粒所制備的ZTA/ZMn13復(fù)合材料的界面顯微形貌

Fig.8InterfacemicrostructureofZTA/ZMn13compositematerialsprepared from ZTA preforms with different TiO₂"contents

綜合表2、圖7和圖8，可以看出，ZTA中加入適量的 TiO₂ 可提升ZTA/ZMn13復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度.其原因主要為：一方面，如圖1所示，ZTA中加入 TiO₂ 能提高燒結(jié)后ZTA顆粒的致密度，提升其力學(xué)性能[22]；另一方面， TiO₂ 的加入提升了ZTA-ZMn13界面的潤濕性，令兩者結(jié)合界面更加緊密，從而提升復(fù)合材料的整體抗彎強(qiáng)度.當(dāng) TiO₂ 的添加量到 3% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，抗彎強(qiáng)度下降到 256.48MPa ，此時(shí)如圖5所示，含 3% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)） TiO₂ 的ZTA顆粒和含 2% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)） ΔTiO₂ 的ZTA顆粒與熔融 ZMn13 金屬液的接觸角數(shù)值相近，界面潤濕性沒有明顯提高，但如圖4（d）所示，含 3% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)） TiO₂ 的ZTA顆粒中其晶粒尺寸過大且尺寸均勻性較差，導(dǎo)致其制備的ZTA/ZMn13復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度反而有所下降.

對1#樣品和3#樣品ZTA/ZMn13復(fù)合材料進(jìn)行了三體磨損實(shí)驗(yàn)，其中1#樣品ZTA/ZMn13復(fù)合材料的磨損體積為 523mm³ ;3#樣品的磨損體積為 408mm³ 添加 2% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)） TiO₂ 的ZTA制備的3#樣品ZTA/ZMn13 復(fù)合材料相較于未添加 TiO₂ 的1#樣品ZTA所制備的復(fù)合材料，其磨損體積減小了 21.98%

因?yàn)閆TA顆粒的硬度遠(yuǎn)高于 ZMn13 基體材料，在三體磨損工況下， ZMn13 基體磨損快，ZTA顆粒磨損慢，ZTA顆粒會凸出磨損面.圖9（a）為1#樣品ZTA/ZMn13復(fù)合材料進(jìn)行磨損實(shí)驗(yàn)后的表面，ZTA作為增強(qiáng)體露出高度明顯低于3#樣品ZTA/ZMn13復(fù)合材料，磨損面上的ZTA顆粒破損嚴(yán)重；圖9（b）中3#樣品ZTA/ZMn13復(fù)合材料磨損面上，ZTA顆粒露出高度較大，ZTA顆粒的完整性比較好.參考表2的不同 TiO₂ 含量的ZTA陶瓷力學(xué)性能數(shù)據(jù)，3#樣品ZTA樣品（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 2%TiO₂ 的硬度、抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性均高于1#樣品ZTA樣品（不含 TiO₂ ），在相同的工況下3#樣品ZTA顆粒更不易磨損和破碎，所以在復(fù)合材料的磨損面上露出高度更大，對基體的保護(hù)性更好，復(fù)合材料呈現(xiàn)出更高的耐磨性.

圖9不同 TiO₂ 含量ZTA顆粒制備的ZTA/ZMn13復(fù)合材料磨損試驗(yàn)后的表面形貌

Fig.9Surface morphology ofZTA/ZMn13 compositematerials preparedby ZTA particles with different TiO₂ contents after wear test

3結(jié)論

1）ZTA陶瓷在 1600^°C 下燒結(jié)后，隨著ZTA陶瓷中 TiO₂ 添加量的增加，樣品的致密度先上升后下降，在 TiO₂ 添加量為 2% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，其致密度最高為98.73% ，其綜合力學(xué)性能也最優(yōu)：抗彎強(qiáng)度為（ 429.60±24.56 ） MPa ，維氏硬度為 （1691.73±120.65 ）N/mm² ；斷裂韌性為 （7.24±0.38） ） MPa?m^1/2

2） 1450°C 下，ZTA與 ZMn13 熔液的接觸角隨TiO₂ 添加量增加而減小，在ZTA/ZMn13復(fù)合材料澆鑄制備過程中，ZTA顆粒中的 TiO₂ 與 ZMn13 基體形成Ti—O—Fe鍵，從而提高了ZTA與 ZMn13 基體的界面結(jié)合性.

3）澆鑄法制備的ZTA/ZMn13復(fù)合材料，其抗彎強(qiáng)度隨ZTA中 TiO₂ 含量的提高先增加后下降，當(dāng)TiO₂ 含量為 2% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，其抗彎強(qiáng)度達(dá)到極大值 273.63MPa ；相較于不含 TiO₂ 的ZTA制備的ZTA/ZMn13 復(fù)合材料 （201.72MPa） ，其抗彎強(qiáng)度提高了35.5% ，三體磨損條件下耐磨性提高了 21.98%

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