【摘 要】
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陶瓷材料作为一种耐高温材料,其硬度高、密度小、高温耐磨性和高温抗蠕变性好,其中Al2O3-ZrO2共晶陶瓷具有两相相互交错、结合紧密的微观组织,晶界非晶相的消除使其具有更加优异的力学性能,如断裂韧性、硬度、高温稳定性、摩擦磨损特性、抗弯性能等,具有广阔的应用前景(如航空发动机涡轮叶片、燃气轮机热端部件等)。因此,Al2O3-ZrO2共晶陶瓷制备技术成为研究者关注的热点。但传统Al2O3-ZrO2共
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陶瓷材料作为一种耐高温材料,其硬度高、密度小、高温耐磨性和高温抗蠕变性好,其中Al2O3-ZrO2共晶陶瓷具有两相相互交错、结合紧密的微观组织,晶界非晶相的消除使其具有更加优异的力学性能,如断裂韧性、硬度、高温稳定性、摩擦磨损特性、抗弯性能等,具有广阔的应用前景(如航空发动机涡轮叶片、燃气轮机热端部件等)。因此,Al2O3-ZrO2共晶陶瓷制备技术成为研究者关注的热点。但传统Al2O3-ZrO2共晶陶瓷制备方法中存在周期性带状组织明显、共晶间距粗大、孔隙率高、断裂韧性低等问题,严重影响Al2O3-ZrO2共晶陶瓷的实际应用。针对上述问题,本文拟开展熔体自生Al2O3-ZrO2共晶陶瓷构件直接激光沉积技术的研究,并利用超声辅助及碳纤维掺杂方法对成形构件的组织和性能进行优化调控。主要研究内容及结论如下:(1)Al2O3-ZrO2共晶生长演化成形过程的机理分析。基于Jackson-Hunt理论,建立Al2O3-ZrO2共晶陶瓷快速凝固条件下的共晶生长理论模型,研究超声辅助对共晶间距的影响规律,建立超声功率与共晶间距之间的解析表达式。研究表明:Al2O3-ZrO2共晶陶瓷三维网状立体结构由初生ZrO2相和次生Al2O3相在熔融状态下按照一定共晶含量配比耦合生长形成。初生ZrO2相生长过程中排出的组元Al原子为次生Al2O3相的结晶生长提供了物质基础;次生Al2O3相在生长过程中排出的Zr原子为初生ZrO2相创造了条件。两相在生长界面处形成的互扩散场内发生耦合生长。利用超声声压对Al2O3-ZrO2共晶陶瓷结晶自由能的影响规律,获得了超声辅助功率P和共晶间距λ的解析关系式。(2)直接激光沉积Al2O3-ZrO2共晶陶瓷。研究周期性带状组织的形成机理,激光功率、扫描速度、送粉速率和ZrO2含量对周期性带状组织的影响规律。检测直接激光沉积Al2O3-ZrO2共晶陶瓷的力学性能。研究发现:周期性带状组织由组织粗化区和离异共晶区组成。组织粗化区是由溶质成分过冷和生长界面单相不稳定的晶体形成;离异共晶区是由未得到充分熔化的粉末凝固形成。通过试验分析,影响周期性带状组织厚度的工艺参数关系为:送粉速率>激光功率>扫描速度>ZrO2含量。在高温下Al2O3-ZrO2共晶陶瓷未发生质量损失和明显吸放热,共晶组织抗高温性能稳定。直接激光沉积技术制备的Al2O3-ZrO2共晶陶瓷表面断裂韧性为6.52±0.40 MPa.m1/2。(3)超声辅助直接激光沉积Al2O3-ZrO2共晶陶瓷。研究超声功率对共晶陶瓷微观组织、宏观形貌、裂纹和气孔率的影响规律。检测超声辅助直接激光沉积Al2O3-ZrO2共晶陶瓷的力学性能。研究表明:超声功率从20 W增加到110 W的过程中,Al2O3-ZrO2共晶微观组织依次表现为胞状共晶、胞状共晶与枝状共晶共存(胞状共晶为主)、枝状共晶、枝状共晶与胞状共晶共存(枝状共晶为主)。随着超声功率的增加,周期性带状组织减小,离异共晶区逐渐减少。当超声功率为120 W时,离异共晶区消失,组织粗化区尺寸控制在5.0±0.5μm,共晶间距为65±5 nm,晶界和菌落组织消失。当超声功率增大时,熔池面积和熔覆层的宽度增加,熔覆层的厚度表现出先不变后减小的趋势。随着超声功率的增加,裂纹数量明显减少。当超声功率为60~80 W时,最大裂纹长度保持在4.0±0.5 mm。当超声功率为80~140 W,随着超声功率的增加,裂纹长度明显减小,孔隙率呈先减后增的规律。超声功率超过120 W后,孔隙率在(1.15±0.05)%范围内变化不大。当超声功率为100 W和150 W时,最小和最大孔隙率分别为0.45%和2.55%。超声辅助制备Al2O3-ZrO2共晶陶瓷表面断裂韧性为7.67±0.20 MPa·m1/2,表面断裂韧性提升主要原因是共晶间距细化和残余压应力的存在。摩擦磨损性能检测摩擦系数为0.45±0.05,磨损率为(9.5±0.5)×10-6m3/(N·m),磨损机理表现出晶间脆性断裂和剥落磨损。(4)超声辅助直接激光沉积碳纤维增强Al2O3-ZrO2晶陶瓷。研究掺杂的碳纤维与Al2O3-ZrO2共晶陶瓷基体的边界特征,分析碳纤维增强Al2O3-ZrO2共晶陶瓷的机理。检测超声辅助直接激光沉积碳纤维增强Al2O3-ZrO2共晶陶瓷的力学性能。研究发现:碳纤维与Al2O3-ZrO2共晶陶瓷基体之间没有明显的边界,两相结合良好。碳纤维的掺杂增大了纤维边界与共晶接触区的晶体生长速率和温度梯度,细化了碳纤维边界处Al2O3-ZrO2共晶陶瓷的共晶间距。碳纤维掺杂提高了 Al2O3-ZrO2共晶陶瓷的表面断裂韧性和抗弯性能,其中掺杂4 wt.%碳纤维的样件表面断裂韧性最高,达到8.70±0.20 MPa·m1/2,超声辅助碳纤维增强的Al2O3-ZrO2共晶陶瓷抗弯强度达到753±20 MPa。
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