机械合金化和热压烧结陶瓷的组织与力学性能研究

丁秀荣

(赤峰工业职业技术学院,内蒙古赤峰 024000)

Si-B-C-N 陶瓷由于具有硬度高、热稳定性好、抗氧化性能高等特性而被广泛应用于对材料有耐高温要求的领域,如飞行器、航空发动机等。虽然目前已经开发出的高温合金、金属间化合物以及C/C 复合材料等体现出了一定的应用前景,但是随着超音速飞行器等对涡轮发动机耐高温材料要求的提高,应用在1500℃以上的能够安全服役的高温材料则需要更高的高温稳定性和力学性能[1-2],而目前开发出的单相陶瓷材料(SiC、Si3N4)以及其他高温合金材料在温度1500℃以上会出现抗氧化性能和力学性能降低的现象[3-4],因此,有必要进一步开发出具有良好高温性能和力学性能的复合陶瓷材料[5]。本文通过机械合金化和热压烧结的 方法,考察了在传统Si-B-C-N 陶瓷中添加一定量Zr 和B 对热压烧结陶瓷显微组织和力学性能的影响,结果将有助于高热稳定性和高综合力学性能的陶瓷材料的开发与应用。

1 试验材料与方法

硅粉(Si,99.6%)、氮化硼(BN,99.8%)、石墨(C,99.6%)、锆粉(Zr,99.7%)和硼粉(B,99.8%)为原料,采用机械合金化的方法制备了Si-B-C-N-Zr 陶瓷粉末,具体成分配比见表1。

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

采用DECО 德科超高效行星式高能球磨机对Si-BC-N-Zr 陶瓷粉末进行有高纯氩气保护的氛围下球磨,对磨球为Φ10mm 氮化硅,球料比设定为18:1,球磨机转速为580r/min,球磨时间为36h,其中每间隔12h 停机15min 以确保球磨温度不要过高。在SPSXSKT-1700-等离子热压烧结炉中进行热压烧结,烧结温度为1900℃、压强为40MPa,保护气为N2,烧结保温时间为0.5h,烧结结束后随炉冷却至室温,制备得到SZ1T1900、SZ2T1900 和SZ3T1900 陶瓷,以下简称陶瓷A、陶瓷B和陶瓷C。

采用日本岛津XRD-6000 型X 射线衍射仪对热压烧结陶瓷进行物相分析,扫描速度为5°/min,Cu 靶Kɑ 辐射；采用S-4800 型钨灯丝扫描电镜对热压烧结陶瓷进行显微形貌观察；采用Instron 5569 型液压伺服万能拉伸机对热压烧结陶瓷进行抗弯强度和弹性模量测试；采用单边缺口梁试验对热压烧结陶瓷进行断裂韧性测试,试样尺寸为2mm×4mm×20mm,压头速率为0.1mm/min,切口深度、宽度和跨距分别为2mm、0.2mm 和16mm；维氏硬度测试采用Wilson-Tukon 2500 全自动维氏硬度计进行,载荷1000g,保载时间10s,取5 个点平均值作为测试结果。

2 试验结果及讨论

图1 为不同成分配比的热压烧结陶瓷的X 射线衍射分析结果。陶瓷A、陶瓷B 和陶瓷C 经过相同的热压烧结工艺处理后,主要物相都为ZrB2、BN(C)、ZrN、SiC、m-ZrО2和ZrОx相,物相种类并没有随着Zr 和B含量增加而改变；但是对比分析可知,陶瓷B 和陶瓷C中的SiC 衍射峰会相对较弱,而ZrB2和ZrN 衍射峰较强,这也就说明,热压烧结Si-B-C-N-Zr 陶瓷中ZrB2和ZrN含量会随着Zr 和B 含量增加而增多[6],但同时也会在陶瓷中形成m-ZrО2和ZrОx杂质相。

图1 热压烧结陶瓷的XRD 图谱Fig.1 XRD pattern of hot pressed sintered ceramics

图2 为不同成分配比的热压烧结陶瓷的扫描电镜显微形貌。低倍下可见,陶瓷A、陶瓷B 和陶瓷C的显微形貌相似(图2a、图2c 和图2e),三种陶瓷的成分配比不同而热压烧结工艺相同,因此,热压烧结后陶瓷表面都存在一定数量的气孔,但是未见其它裂纹等缺陷存在；高倍显微形貌中可见气孔较小且呈不规则形状,整体呈现出片层状组织特征(图2b、图2d 和图2f)。

图2 热压烧结陶瓷的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

图3 为不同成分配比的热压烧结陶瓷的密度统计结果。虽然图2的热压烧结陶瓷的显微形貌观察结果中可见3 种陶瓷的显微形貌差异性不大,但是密度分析结果可见,相同热压烧结工艺处理后陶瓷的密度从大至小顺序为:陶瓷C>陶瓷B>陶瓷A,即热压烧结陶瓷的密度会随着Zr 和B 含量的增加而增大,陶瓷C的密度达到3.98g/cm3。

图3 热压烧结陶瓷的密度统计结果Fig.3 Statistical results of density of hot pressed sintered ceramics

图4 为不同成分配比的热压烧结陶瓷的抗弯强度测试结果。对比分析可知,相同热压烧结工艺处理后陶瓷的抗弯强度从大至小顺序为:陶瓷C>陶瓷B>陶瓷A,即热压烧结陶瓷的抗弯强度会随着Zr 和B 含量的增加而增大,陶瓷C的抗弯强度达到303MPa,约为陶瓷A的1.5倍,这可能与Zr 和B 含量的增加提升了热压烧结陶瓷的致密度有关[7-8]。

图4 热压烧结陶瓷的抗弯强度测试结果Fig.4 Bending strength test results of hot pressed sintered ceramics

图5 为不同成分配比的热压烧结陶瓷的断裂韧性测试结果。对比分析可知,相同热压烧结工艺处理后陶瓷的断裂韧性从大至小顺序为:陶瓷C>陶瓷B>陶瓷A,即热压烧结陶瓷的断裂韧性会随着Zr 和B 含量的增加而增大,陶瓷C的断裂韧性达到2.92 MPa•m1/2,约为陶瓷A的1.24 倍。可见,热压烧结陶瓷的断裂韧性的变化规律与抗弯强度一致。

图5 热压烧结陶瓷的断裂韧性测试结果Fig.5 Test results of fracture toughness of hot pressed sintered ceramics

图6 为不同成分配比的热压烧结陶瓷的弹性模量测试结果。对比分析可知,相同热压烧结工艺处理后陶瓷的弹性模量从大至小顺序为:陶瓷A>陶瓷B>陶瓷C,即热压烧结陶瓷的弹性模量会随着Zr 和B 含量的增加而减小,陶瓷C的弹性模量达到198 MPa,约为陶瓷A的81.8%。究其原因,这主要是因为热压烧结陶瓷中ZrB2相的含量会随着Zr 和B 含量增加而增多,而SiC 相的弹性模量要大于ZrB2相[9],因此,热压烧结陶瓷会随着Zr和B 含量增加而呈现弹性模量降低趋势。

图6 热压烧结陶瓷的弹性模量测试结果Fig.6 Test results of elastic modulus of hot pressed sintered ceramics

图7 为不同成分配比的热压烧结陶瓷的维氏硬度测试结果。对比分析可知,相同热压烧结工艺处理后陶瓷的维氏硬度从大至小顺序为:陶瓷C>陶瓷B>陶瓷A,即热压烧结陶瓷的维氏硬度会随着Zr 和B 含量的增加而增大,陶瓷C的维氏硬度达到5.99GPa,约为陶瓷A的1.68 倍。究其原因,这主要是因为热压烧结陶瓷中ZrB2相的含量会随着Zr 和B 含量增加而增多,而SiC 相的维氏硬度要小于高硬度ZrB2相[10],因此,热压烧结陶瓷会随着Zr 和B 含量增加而呈现维氏硬度增加的趋势。

图7 热压烧结陶瓷的维氏硬度测试结果Fig.7 Vickers hardness test results of hot pressed sintered ceramics

3 结论

1)陶瓷A、陶瓷B 和陶瓷C 经过相同的热压烧结工艺处理后,主要物相都为ZrB2、BN(C)、ZrN、SiC、m-ZrО2和ZrОx相,物相种类并没有随着Zr 和B 含量增加而改变；但是热压烧结Si-B-C-N-Zr 陶瓷中ZrB2和ZrN 含量会随着Zr 和B 含量增加而增多,但同时也会在陶瓷中形成m-ZrО2和ZrОx杂质相。

2)三种陶瓷的成分配比不同而热压烧结工艺相同,热压烧结后陶瓷表面都存在一定数量的气孔,但是未见其它裂纹等缺陷存在；高倍下显微形貌中可见气孔较小且呈不规则形状,整体呈现出片层状组织特征。

3)相同热压烧结工艺处理后陶瓷的密度、抗弯强度、断裂韧性和维氏硬度从大至小顺序为:陶瓷C>陶瓷B>陶瓷A,即热压烧结陶瓷的密度、抗弯强度、断裂韧性和维氏硬度会随着Zr 和B 含量的增加而增大；相同热压烧结工艺处理后陶瓷的弹性模量从大至小顺序为:陶瓷A>陶瓷B>陶瓷C。