稀土氧化物类型对自韧α-Sialon陶瓷的氧化及热震行为影响

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:working_man_1986
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本文采用热压烧结工艺制备了Nd、Sm、Dy和Yb等四种稀土掺杂的α-Sialon陶瓷材料。利用XRD、SEM、TEM等手段研究了稀土类型及额外添加2wt%稀土氧化物作为助烧剂对Sialon陶瓷材料的致密化、物相组成及显微组织结构的影响;采用三点弯曲、单边缺口测试方法对室温弯曲强度及断裂韧性进行了评定;并着重系统地研究了稀土类型、物相构成及显微组织结构对材料热物理性能、抗热震性能及抗氧化性能的影响。试验结果表明,采用1800℃/30MPa/60min工艺热压烧结,所有材料都获得了大于98%的致密度。通过额外添加2wt.%对应稀土氧化物补充必要的烧结液相,以高纯超细Si3N4、AlN、Al2O3、RE2O3(RE为Nd、Sm、Dy或Yb)粉末为原料,RE1/3Si10Al2ON15边界成分的小稀土掺杂的Dy-、Yb-α-Sialon也能够获得全致密的陶瓷材料。XRD物相分析结果显示,对Nd-Sialon材料来说,添加或不添加2wt.%过量稀土氧化物作为助烧剂对物相影响不大,都获得了以α-Sialon为主晶相、同时含有少量β-Sialon和M′(R2Si3-xAlxO3+xN4-x)相的陶瓷材料。添加2wt%稀土氧化物助烧剂的Dy-和Yb-sialon材料的XRD物相十分纯净,均由单相α-Sialon组成,并因此保持了很高的硬度(Hv10=21GPa左右)。受稀土类型影响,所得材料的显微组织结构有较大差别。Yb、Dy小稀土掺杂的α-Sialon有较大的化学驱动力,α-Sialon的快速生成尽早地耗尽了高温液相,阻碍α-Sialon晶粒各向异性生长,从而得到了细晶等轴组织;相反Nd、Sm大稀土倾向于延长高温液相的持续时间,有利于获得棒晶组织。本文所得Sialon材料的抗弯强度和断裂韧性分别在300MPa~600MPa和4.0MPa·m1/2~5.1MPa·m1/2之间,随棒晶长径比及含量增加而增加。主要的强韧化机制为载荷传递、韧化机制为裂纹的偏转、长棒状晶体的拔出与桥接。所得α-Sialon材料具有较好的抗热震能力,经受1200℃热震温差的剩余强度保持率最低在75%以上;1100℃温差热震,发现材料的剩余强度增加现象。良好的力学与热物理综合性能是其具有较高抗热震能力的主要原因。本文所得的α-Sialon材料具有良好的抗氧化能力。氧化分析结果表明1300℃氧化32h时,NdE2和NdE0单位面积氧化增重为3.5mg/cm2左右,而SmE2、DyE2、YbE2仅仅增重了1.5mg/cm2左右。氧化增重与时间呈抛物线规律。NdE2、NdE0、SmE2、DyE2、YbE2氧化反应活化能计算结果分别为475、488、505、512和515kJ/mol。
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