Al2O3复相陶瓷/耐热钢三维网络复合材料的制备及性能研究

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网络陶瓷/金属基复合材料不仅具有优良的摩擦磨损性能及良好的抗热震性能,而且在三维空间上具有相互贯通结构及各相同性等特点,使其每一相都能发挥其各自的性能优势,因此,在军工、航天航空、汽车制动等领域具有良好的应用前景。本课题首先通过添加硅酸锆制备氧化铝/氧化锆/莫来石复相陶瓷,并对复相陶瓷的组织结构和力学性能进行研究,然后制备氧化铝/氧化锆/莫来石复相泡沫陶瓷,通过在复相泡沫陶瓷表面化学气相沉积金属钛涂层改善复相泡沫陶瓷与镍铬耐热钢两相之间的润湿性,最后采用真空消失模铸造法制备Al2O3复相陶瓷/镍铬耐热钢三维网络复合材料。研究化学气相沉积工艺及装置对泡沫陶瓷沉积效果的影响;并对复合材料组织结构及其力学性能进行研究。研究结果表明:(1)将硅酸锆和氧化钇湿法研磨、干燥后加入Al2O3陶瓷粉料中,采用1550°C常压烧结,保温3h,可以制得含有t-ZrO2的Al2O3陶瓷;(2)在应力作用下,Al2O3陶瓷中生成的t-ZrO2向m-ZrO2发生马氏体相变,对Al2O3陶瓷起到相变增韧的作用;(3)ZrSiO4在高温下产生的t-ZrO2,分布在Al2O3颗粒的晶界处,强化了界面结合能,当裂纹扩展遇到ZrO2颗粒时,由于钉扎效应可以使裂纹偏转吸收大量能量,使Al2O3陶瓷的断裂方式由沿晶断裂转变为沿晶断裂与穿晶断裂混合的断裂模式,提高了断裂的临界应力,使材料的强度、韧性得到提高;(4)采用改进后的装置,在450°C及800°C两个反应段分别保温20min,1150°C保温50min的升温工艺在氧化铝/氧化锆/莫来石复相泡沫陶瓷预制体表面化学气相沉积钛涂层,能够在复相泡沫陶瓷孔筋及骨架内部获得均匀、致密的钛涂层;(5)通过消失模真空负压铸造法,在1600°C的浸渗温度下,可以成功制备出界面结合良好,内部无明显缺陷的Al2O3复相陶瓷/镍铬耐热钢三维网络复合材料;(6)镍铬耐热钢与复相泡沫陶瓷表面沉积的金属钛涂层及陶瓷增强体三者之间发生了化学反应,生成了Al Cr Fe2,AlNi,Al2O3,TiO2,以及Ti7Al5Si12,AlNi2Ti等物相,形成了反应润湿型界面;(7)采用消失模真空负压铸造法所制备的20ppi复合材料的抗弯强度总体上高于Al2O3/ZrO2/莫来石复相陶瓷,约为Al2O3/ZrO2/莫来石复相陶瓷的2.9倍;(8)复合材料的断口形貌主要是解理断裂和韧窝混合断裂,复合材料发生弯曲断裂时,裂纹主要存在于复相陶瓷增强体与镍铬耐热钢两相的结合界面处,并沿两相界面扩展。
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