CeO2掺杂Ti/Al2O3复合材料的制备及性能研究

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由于具有较高的强度、韧性、中低温稳定性等优异性能,金属/陶瓷复合材料多应用于航空航天、切削工具、高温传动件和生物假体等领域。对比于常规的无压烧结工艺,热压烧结工艺技术应用广泛,而且烧结完成体密度较高,烧结速度较快的特点。因此,本文利用热压烧结技术制备Ce02掺加的Ti/Al2O3复合材料,并研究了其力学性能、微观结构和物相组成。在真空条件下,烧结温度和压力分别为1420℃和30 MPa,保温时间1h的工艺条件下,制备了CeO2的掺加量为1-5 vo1%的Ti/Al2O3复合材料,并对其力学性能,显微结构和相组成进行了研究。实验结果表明:CeO2的掺加提高了Ti/Al2O3复合材料的力学性能;在掺加量为3 vol%时,复合材料的弯曲强度、断裂韧性、硬度和相对密度分别为406.5 MPa,6.36 MPa·m-2,15.7 GPa,97.6%.结合EDS和XRD的测试和分析,探讨了CeO2掺加对材料性能影响的原因;Ce-Al-O长柱状固溶体的存在对材料性能有显著影响。在以上实验基础上提高了烧结温度,结果表明:烧结温度对CeO2掺加的复合材料有明显影响,在1420-1480℃范围内提高烧结温度会严重影响材料力学性能,改变材料微观结构;当烧结温度为1450℃时,3 vol%CeO2掺加的Ti/Al2O3复合材料的力学性能均达到峰值,其相对密度、显微硬度、弯曲强度和断裂韧性分别为98.7%、16.4 GPa、487.2 MPa和6.88 MPa·m1/2。为了更好地研究Ti-Al2O3的界面反应情况,同时提高复合材料的力学性能。在1420℃,烧结压力20 MPa,保温1h的工艺条件下,通过流延法和热压烧结的工艺结合制备了具有层状结构的Ti/Al2O3复合材料,并研究了其力学性能和微观结构。讨论了不同层数对层状复合材料的力学性能影响,结果表明层数越大对其弯曲强度和断裂韧性提高作用显著,当其层数为35层时,其断裂韧性和弯曲强度分别为9.72 MPa·m1/2和361.4MPa。通过层状复合材料断裂和裂纹扩展方式的观察和讨论,论证了裂纹偏转和裂纹延长是层状复合材料力学性能优异的主要原因。另外,利用层状复合材料特有的结构,观察到了Al、Ti和O元素在界面处的扩散情况,进而讨论了Ti-Al2O3间的扩散过程和界面反应。CeO2的掺加提高了层状Ti/Al2O3复合材料的力学性能,其相对密度、弯曲强度和断裂韧性分别为96.7%、378.9 MPa和9.74MPa·m1/2。
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