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2222材料工程  2015, Vol. 43 Issue (10): 66-72    DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2015.10.011
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烧结温度对20% ZrO2(3Y)/Al2O3复相陶瓷力学性能和微观结构的影响
王丙军1, 王晓民1,2,*(), 喇培清2
1 青海大学 机械工程学院, 西宁 810016
2 兰州理工大学 省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室, 兰州 730050
Effects of Sintering Temperature on Mechanical Properties and Microstructure of 20% ZrO2(3Y)/Al2O3 Composite Ceramics
Bing-jun WANG1, Xiao-min WANG1,2,*(), Pei-qing LA2
1 School of Mechanical Engineering, Qinghai University, Xining 810016, China
2 State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Non-ferrous Metals, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China
全文: PDF(3460 KB)   HTML ( 29 )  
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摘要 

20%纳米ZrO2(3Y)粉末加入到高纯亚微米Al2O3粉中,采用高压干压成型方法和恒速升温多阶段短保温烧结方法制备出不同烧结温度下的复相陶瓷。研究烧结温度对复相陶瓷力学性能的影响,通过XRD,EDS和SEM对复相陶瓷进行元素组成和微观结构分析。结果表明:烧结温度在很大程度上影响着复相陶瓷的力学性能和微观结构,常压烧结1600℃保温8h时,相对密度、维氏硬度和断裂韧性达到最大,分别为98.6%,18.54GPa和9.3MPa·m1/2,而基体晶粒尺寸为1.4~8.1μm,ZrO2相变量为34.6%。1600℃下复相陶瓷具有优质的微观结构,断裂方式为沿晶-穿晶混合断裂模式。ZrO2(3Y)粉体的加入,从相变增韧、内晶型颗粒增韧和裂纹偏转等多个方面提高了复相陶瓷的断裂韧性。

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王丙军
王晓民
喇培清
关键词 ZrO2(3Y)-Al2O3复相陶瓷烧结温度微观结构力学性能内晶型颗粒    
Abstract

20% nano ZrO2 (3Y) powders were added to high purity submicron Al2O3 powders,then composite ceramics were prepared by high-pressure dry pressing and constant heating, multi-stage, short insulation sintering method at different temperatures. The effect of sintering temperature on mechanical properties of composite ceramics was investigated, the phase composition and microstructure of composite ceramics were analyzed by XRD, EDS and SEM. The results show that the sintering temperature affects the mechanical properties and microstructure of composite ceramics greatly. The relative density, vickers hardness and fracture toughness reach the maximum value, respectively 98.6%, 18.54GPa and 9.3MPa·m1/2 under atmospheric sintering at 1600℃ and insulation 8h. While the grain size of the matrix is about 1.4-8.1μm and ZrO2 phase transition is 34.6%. Composite ceramics have excellent microstructure sintered at 1600℃. The fracture mode of the composite ceramics is intergranular-transgranular mixed fracture mode. The fracture toughness of the composite ceramics is improved by phase transition toughening, intragranular particles toughening, crack deflection and other aspects when adding nano-sized ZrO2 (3Y) powder.

Key wordsZrO2(3Y)-Al2O3 composite ceramic    sintering temperature    microstructure    mechanical property    intragranular particle
收稿日期: 2014-12-12      出版日期: 2015-10-17
基金资助:青海省自然科学基金项目(2014-ZJ-781)
通讯作者: 王晓民     E-mail: ty.com.cn@126.com
作者简介: 王晓民(1975-),男,副教授,硕士研究生导师,博士后在站,现从事先进结构陶瓷、有色金属冶金和金属腐蚀与防护的研究,联系地址:青海省西宁市城北区宁大路251号青海大学机械工程学院(810016),E-mail: ty.com.cn@126.com
引用本文:   
王丙军, 王晓民, 喇培清. 烧结温度对20% ZrO2(3Y)/Al2O3复相陶瓷力学性能和微观结构的影响[J]. 材料工程, 2015, 43(10): 66-72.
Bing-jun WANG, Xiao-min WANG, Pei-qing LA. Effects of Sintering Temperature on Mechanical Properties and Microstructure of 20% ZrO2(3Y)/Al2O3 Composite Ceramics. Journal of Materials Engineering, 2015, 43(10): 66-72.
链接本文:  
http://jme.biam.ac.cn/CN/10.11868/j.issn.1001-4381.2015.10.011      或      http://jme.biam.ac.cn/CN/Y2015/V43/I10/66
Fig.1  恒速升温多阶段短保温烧结曲线
Sample Sintering temperature/℃ Relative density/% Crystal size/μm Vickers microhardness/GPa Fracture toughness/(MPa·m1/2)
AZ1 1450 91.2 0.5-1.8 11.77 3.0
AZ2 1500 94.7 0.4-2.3 14.68 4.8
AZ3 1550 96.9 1.2-7.2 15.75 6.7
AZ4 1600 98.6 1.4-8.1 18.54 9.3
AZ5 1650 97.4 2.3-13.1 17.34 8.5
Table 1  不同烧结温度下20% ZrO2(3Y)/Al2O3复相陶瓷的相对密度、晶粒尺寸、维氏硬度和断裂韧性
Fig.2  不同烧结温度下20% ZrO2(3Y)/Al2O3复相陶瓷的断口SEM照片
(a)1450℃;(b)1500℃;(c)1550℃;(d)1600℃;(e)1650℃;(f)1650℃下纯Al2O3陶瓷
Fig.3  1600℃烧结的20% ZrO2(3Y)/Al2O3复相陶瓷的热刻蚀面的SEM照片
(a)和BSE照片(b)
Fig.4  1600℃烧结的20% ZrO2(3Y)/Al2O3复相陶瓷的热刻蚀面上四个区域的SEM照片(a-1);(b-1);(c-1);(d-1)及其能谱(a-2);(b-2);(c-2);(d-2)
Element O(K) Al(K) Zr(L)
Area 1 39.08 57.18 3.74
Area 2 37.40 18.08 44.52
Area 3 31.10 52.21 16.69
Area 4 30.46 41.46 28.09
Table 2  1600℃烧结的20% ZrO2(3Y)/Al2O3复相陶瓷的 热刻蚀面上不同区域的化学成分
Fig.5  1600℃烧结的20% ZrO2(3Y)/Al2O3复相陶瓷抛光面
(a)和断裂面(b)的XRD图和裂纹扩展SEM照片(c)
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