基于机械干态颗粒涂层技术制备cBN@TiN粉体

采用机械干态颗粒涂层技术分别制备了cBN@TiO_(2)(TiO_(2)包覆立方氮化硼)粉体和cBN@(TiO_(2)+C)(TiO_(2)+碳包覆立方氮化硼)粉体,然后在1600℃、N_(2)气氛下进行高温热处理制备cBN@TiN(TiN包覆立方氮化硼)粉体,研究了高温热处理前后粉体的物相组成与微观形貌以及高温反应机理。结果表明:机械干态颗粒涂层技术可以使纳米TiO_(2)和纳米TiO_(2)+C颗粒均匀包裹在cBN颗粒表面。在高温热处理过程中,TiO_(2)与cBN反应生成液相B_(2)O_(3),促进了cBN相变成六方氮化硼(hBN),cBN的高温稳定性差,以cBN@TiO_(2)为原料制备的cBN@TiN粉体颗粒表面形成由TiN相和hBN相组成的片状结构层;当存在碳时,TiO_(2)会优先与碳发生还原反应生成TiN,抑制B_(2)O_(3)的生成,从而降低cBN相变量,此时cBN的高温稳定性好,以cBN@(TiO_(2)+C)为原料制备的cBN@TiN粉体颗粒表面形成主要为TiN相的颗粒结构层。

cBN@TiN/β-Sialon复合陶瓷及刀具的制备与性能

采用放电等离子烧结技术,通过原位生成TiN包覆cBN(cBN@TiN)颗粒制备了cBN@TiN/β-Sialon复合陶瓷,研究了其物相组成、微观形貌、力学性能以及制成的可转位刀具连续干式切削球墨铸铁时的切削性能,并与β-Sialon陶瓷及刀具进行对比分析。结果表明:cBN@TiN/β-Sialon复合陶瓷由β-Sialon、cBN和TiN相组成,其抛光态表面无明显气孔,cBN@TiN颗粒均匀分布,未发生明显脱落,基体相晶粒呈等轴状和长棒状;cBN@TiN/β-Sialon复合陶瓷的相对密度和晶粒尺寸与β-Sialon陶瓷相近,硬度和断裂韧性分别为(17.40±0.11)GPa和(6.19±0.10)MPa·m^(1/2),高于β-Sialon陶瓷;与β-Sialon陶瓷刀具相比,cBN@TiN/β-Sialon复合陶瓷刀具的耐磨性更好,切削寿命更长。

连接温度对铝空气钎焊工艺连接SiC接头结构与性能的影响

采用金属Al箔作为连接材料,探究空气气氛下连接温度对Si C陶瓷连接接头结构和性能的影响。结果表明,1000℃连接时金属Al的过量流失会导致Si C接头连接层孔洞缺陷的产生;保持热处理工艺不变,将连接温度降低至900℃,不仅可避免连接层气孔缺陷的产生,而且可有效促进中间层Al单质向Al_(2)O_(3)的完全转化,相比于1000℃连接的Si C接头,其室温剪切强度从(22.0±5.4)MPa提高到(117.0±18.7) MPa。

SiC陶瓷的Ti-Si钎焊连接机理和性能研究

SiC陶瓷优异的力学性能、高温稳定性以及耐腐蚀等性能,使其在航空航天、海洋工程、核能领域具有极大的应用潜力。但是其高硬和高脆特性,使其很难通过加工实现大型复杂结构件的制备,从而限制了其在以上领域的应用。因此,低温、低压连接技术研究对促进SiC的应用具有重要意义。采用Ti-Si钎料对CVD-SiC母材在1450℃~1550℃进行无压连接,结果表明,在1500℃连接时接头剪切强度最佳,此时剪切强度为(23.1±5.7) MPa,SiC接头断裂时发生在连接层和界面处。

连接温度对CaO-Al_(2)O_(3)-MgO-SiO_(2)-TiO_(2)玻璃钎料连接SiC陶瓷接头微观结构和性能的影响

采用新型玻璃钎料CaO-Al_(2)O_(3)-MgO-SiO_(2)-TiO_(2)(CAMST)连接无压烧结SiC陶瓷,研究了连接温度(1 300~1 450℃)对SiC陶瓷接头微观结构和力学性能的影响。结果表明:CAMST玻璃钎料在1 350~1 450℃下可实现SiC陶瓷的有效连接。当连接温度为1 350℃时,焊缝厚度约为36μm,母材与焊缝界面存在较多孔洞,接头剪切强度为(21.4±2.7) MPa;当连接温度为1 400℃时,焊缝厚度为3μm,母材与焊缝结合良好,接头剪切强度为(47.6±6.2) MPa;当连接温度升高至1 450℃时,焊缝厚度约为50μm,母材与焊缝结合良好,但焊缝中存在裂纹缺陷,接头剪切强度为(20.9±3.9) MPa。连接温度对焊缝硬度无明显影响。

高度向心织构化SiAlON陶瓷的制备和力学性能研究

通过在1750℃煅烧环形SiAlON陶瓷坯体,制备了向心织构SiAlON陶瓷。研究了Ni/Co(0 wt.%~2.25 wt.%)添加剂对织构化SiAlON陶瓷的物相组成、织构化程度、显微结构和力学性能的影响。研究结果表明:在平行于晶粒定向的截面(径截面RS)上,引入2.25 wt.%Ni/Co添加剂时SiAlON陶瓷定向指数从0.38提高到0.74;煅烧样品形成了向心织构化的显微形貌特征,在垂直于晶粒定向方向的截面(弦截面TS)上晶粒为等轴状形貌,而在RS面上为排列方向一致的棒状晶粒形貌;织构化SiAlON陶瓷的RS面硬度均高于TS面,随着黏结相含量增加,硬度降低;在RS面垂直于晶粒定向的方向,随着Ni/Co添加剂含量从0wt.%增加到2.25wt.%,断裂韧性从(6.93±0.31)MPa·m^(1/2)增加到(7.52±0.28) MPa·m^(1/2)。

基于粉末床技术放电等离子烧结Si3N4陶瓷圆柱体

将平均粒径分别为150μm和50μm的SiC粉体与平均粒径分别为150μm和50μm的石墨粉体混合,得到粗粉末床(150μm SiC+150μm石墨)与细粉末床(50μm SiC+50μm石墨),粉末床中SiC与石墨的体积分数均为50%。采用粉末床技术对圆柱形Si_(3)N_(4)陶瓷预烧体进行放电等离子烧结,研究粗、细粉末床、预烧温度(1400℃和1500℃)和粉末床回收对等离子烧结Si_(3)N_(4)陶瓷圆柱体的变形程度、致密度、物相组成和显微结构的影响。结果表明,采用粗粒径粉末床、1500℃预烧温度和回收使用一次的粉末床制备的Si_(3)N_(4)陶瓷圆柱体,横截面形状保持度最高,达到93%,维氏硬度和断裂韧性分别为(18.73±0.24)GPa和(3.64±0.23)MPa·m^(1/2)。Si_(3)N_(4)陶瓷的主相为α-Si_(3)N_(4),晶粒形貌为等轴状。通过引入粉末床可克服放电等离子烧结制备Si_(3)N_(4)陶瓷制品的形状限制,有望实现高性能异形Si_(3)N_(4)陶瓷的制备。

MgO-Al_2O_3-Re_2O_3(Re=Lu,Y)对无压烧结Si_3N_4陶瓷显微结构和性能的影响

研究了MgO-Al_2O_3-Re_2O_3(Re=Lu,Y)三元烧结助剂体系对无压烧结Si_3N_4陶瓷显微结构和力学性能的影响。研究结果表明,添加MgO-Al_2O_3-Lu_2O_3三元助剂制备的Si_3N_4陶瓷显微结构具有明显的双峰分布,晶粒较粗化,致密度、硬度、弯曲强度、断裂韧性分别为96.4%、14.59 GPa、964 MPa、7.64 MPa·m^(1/2);而添加MgO-Al_2O_3-Y_2O_3三元助剂制备的Si_3N_4陶瓷具有细化的显微结构,致密度、硬度、弯曲强度、断裂韧性分别为99.9%、15.29 GPa、758 MPa、6.60 MPa·m^(1/2)。

氮化硅陶瓷球研磨抛光技术研究进展

氮化硅陶瓷球是重大装备中轴承的关键基础元件,球体的超精密研磨抛光质量是影响轴承性能与寿命的重要因素.本文从加工方法的角度,总结了陶瓷球研磨抛光技术的研究进展,对不同的陶瓷球超精密复合抛光方法进行了比较分析,并提出了一种新型抛光方法,即集群磁流变抛光陶瓷球的方法.该方法初步测试显示,经3 h的抛光,氮化硅陶瓷球的表面粗糙度Ra由50 nm下降到5 nm,球度达到0.11～0.22μm.

Al_2O_3-Re_2O_3(Re=La,Nd,Y,Lu)对无压烧结Si_3N_4陶瓷显微结构与力学性能的影响

研究了二元助剂Al_2O_3-Re_2O_3(Re=La,Nd,Y,Lu)对无压烧结Si_3N_4陶瓷的相对密度、显微结构及力学性能的影响。结果表明:经1800℃无压烧结后,Si_3N_4陶瓷试样的相对密度均达到97%以上;以Al_2O_3-Lu_2O_3为烧结助剂的Si_3N_4陶瓷试样具有最高的维氏硬度和抗弯强度,分别为15.2±0.18 GPa和920±5 MPa。

导电Si_3N_4基复相陶瓷研究进展

Si_3N_4陶瓷具有优异的力学性能和导热性能,然而其固有的高硬度和脆性极大地限制了其加工性能。通过添加导电相改善Si3N4陶瓷的导电性能可实现对Si_3N_4陶瓷的电火花加工。添加的导电相主要包括钛基化合物(TiN、TiC、TiC N、TiB_2)、锆基化合物(Zr B_2、Zr N)和MoSi_2等导电陶瓷以及碳纳米管(CNT)、碳纳米纤维(CNF)、石墨烯纳米片(GNP)等导电碳基纳米材料。本论文详细回顾了Si_3N_4基导电陶瓷的研究进展,并对今后Si_3N_4基导电陶瓷的发展趋势进行了展望。

硼热还原法合成MeB2（Me=Zr,Hf,Ti,Ta）粉体研究进展

过渡金属硼化物陶瓷MeB2(Me=Zr、Hf、Ti、Ta)具有高熔点、高强度、高硬度、高热导和高电导等优异性能。合成高纯超细MeB2粉体对于进一步提升陶瓷性能至关重要。在众多合成MeB2粉体的方法中,硼热还原法避免了碳和金属杂质的引入,有望合成高品质MeB2粉体。本文回顾了硼热还原法合成MeB2粉体的研究进展,重点介绍了最近发展的两种合成亚微米ZrB2和HfB2粉体的硼热还原法:两步热处理结合中间水洗法和硼热还原结合原位固溶法。

基于有限元仿真的陶瓷刀具切削难加工金属的研究

基于Deform有限元分析软件,选择陶瓷材料刀具,对难加工金属的切削过程实现了模拟分析,并研究在改变切削参数如进给量、切削深度与切削速度的情况下,切削过程中的切削力、切削温度的变化规律。仿真结果展示了切屑的形成过程,在各加工参数中,切削速度是影响切削温度的最关键因素,切削深度对切削力产生较大影响。

以ZrO2-MgO-Y2O3为添加剂的气压反应重烧结Si3N4陶瓷的制备与性能研究

以硅粉为原料,研究了MgO-Y2O3和ZrO2-MgO-Y2O3添加剂对气压反应烧结过程中硅粉氮化以及重烧结Si3N4陶瓷的影响。同时以Si3N4粉为主要原料,以ZrO2-MgO-Y2O3为添加剂在相同烧结工艺下制备Si3N4陶瓷作为对比实验。实验结果表明,在1 400 ℃下保温2 h氮化时,掺杂ZrO2-MgO-Y2O3添加剂可实现硅粉快速氮化;氮化后样品继续在1 850 ℃、3 MPa气压烧结下保温2 h后实现样品最终致密化,致密度达到98.2%;此时,在相同制备工艺下,以Si3N4粉为原料制备的Si3N4陶瓷的致密度为97.3%,并且,通过反应烧结制备得到的Si3N4陶瓷具有更加优异的力学性能和热导率,其断裂韧性和热导率分别为(5.6±0.8) MPa·m^1/2和70.4 W/(m·K)。因此,以Si粉为原料结合ZrO2-MgO-Y2O3添加剂,通过气压反应重烧结可以获得性能更加优异的氮化硅陶瓷。

MgO含量与颗粒度对Si_3N_4-Y_2O_3-MgO陶瓷液相烧结行为及力学性能的影响

本文基于Si_3N_4-Y_2O_3-MgO液相烧结体系,系统研究了MgO含量和颗粒度对材料致密度、物相组成、显微结构以及力学性能的影响效果与作用机制。结果显示,MgO含量的增加,会使得液相组分增多,进而提高材料的致密度,同时促进β-Si_3N_4晶粒的粗化生长;当液相含量相同但MgO颗粒度增大时,材料致密度和β-Si_3N_4晶粒长径比会同时出现降低趋势。这表明,液相组分MgO的颗粒度会直接影响液相的形成与分布,进而对润湿、颗粒重排及传质过程产生作用。当MgO含量与颗粒度分别为4%和0. 1μm时,材料相对密度、断裂韧性和维氏硬度获得最佳值,分别为99. 5%±0. 2%,(6. 9±0. 6) MPa·m^(1/2),(18. 7±0. 1) GPa。

烧结助剂对非等温烧结法制备氧化铝陶瓷微观结构和性能的影响

在无压烧结基础上,探究微量MgO-Y2O3和MgO-Y2O3-La2O3两种体系添加剂的掺杂以及一步非等温烧结法和两步非等温烧结法对Al2O3陶瓷的显微结构和性能的影响。结果表明,两步非等温烧结法可显著细化Al2O3陶瓷晶粒;对于掺杂微量MgO-Y2O3烧结助剂体系,一步非等温烧结法和两步非等温烧结法制备的Al2O3陶瓷闭气孔率分别为1.88%和3.93%,对应的Al2O3晶粒分别为0.42μm和0.38μm。对于掺杂微量MgO-Y2O3-La2O3烧结助剂体系,一步非等温烧结法和两步非等温烧结法制备的陶瓷闭气孔率分别为3.59%和2.82%,对应的Al2O3晶粒分别为0.40μm和0.42μm。分别选用MgO-Y2O3和MgO-Y2O3-La2O3作为烧结助剂时,一步非等温烧结法制备的Al2O3陶瓷具有较高的硬度,分别为(18.3±0.5)GPa和(18.2±0.6)GPa。对于断裂韧性有较高需求场合,则可以选用MgO-Y2O3作为烧结助剂通过一步非等温烧结法直接制备Al2O3陶瓷,其断裂韧性可达到(4.6±0.3)MPa·m1/2。

尿素溶液法合成纳米AlN粉体

以尿素为固体氮源,甲醇为溶剂,AlCl_3·6H_2O为铝源,采用尿素溶液法制备了纳米AlN粉体。采用FT-IR对前驱盐进行了结构分析,并通过XRD和SEM分别对最终煅烧产物进行了结构和形貌的表征。重点研究了尿素/金属摩尔比R值和煅烧温度对合成产物的晶体结构和形貌的影响。结果发现:AlN的纯度随R值的增加而增大,R值大于6可以获得单一AlN相,R值小于6获得AlN和Al2O3的混合相;此外,R值也直接影响到AlN纳米粉体和团聚颗粒的形貌,所制备AlN纳米粉体的粒径和团聚的球状颗粒的粒径随R值的增加出现细化的趋势。

粉体砂磨工艺对SiO2-ZrO2-MgO-CaO助烧95Al2O3陶瓷微观结构与性能的影响

采用砂磨工艺对Al2O3粉体进行研磨,研究了粉体的形貌,以及在SiO2-ZrO2-MgO-CaO烧结助剂作用下烧结粉体得到95Al2O3陶瓷的物相组成、微观结构和力学性能,并与行星球磨工艺下的进行对比。结果表明:砂磨后Al2O3粉体的平均粒径仅为0.2μm,砂磨对粉体具有明显的细化作用,而行星球磨后的中位粒径为2.4μm,与未研磨粉体的相近;烧结砂磨粉体得到陶瓷的物相为Al2O3、Al0.52Zr0.48O1.74、m-ZrO2,而烧结行星球磨粉体与未研磨粉体的物相为Al2O3与微量m-ZrO2;烧结砂磨粉体得到陶瓷表面的Al2O3晶粒未异常长大,ZrO2相钉扎在Al2O3晶界,而烧结行星球磨粉体与未研磨粉体的Al2O3晶粒均存在异常长大现象;烧结砂磨粉体得到陶瓷的断裂韧度为(4.6±0.6)MPa·m1/2,高于烧结未研磨和行星球磨粉体的。

基于B4C还原法合成亚微米级TiB2粉体的表征研究

采用TiO 2和B4C为原料合成了亚微米级TiB 2粉体,对其反应机理和粉体的显微形貌进行研究。结果表明:TiO 2和B4C之间的反应存在复杂的中间产物,并且随着温度的升高,中间产物逐渐减少;过量的B4C有利于高纯度TiB 2粉体的制备。而且当TiO 2与B4C的摩尔比为7∶5.75时,在1550℃保温1h可获得高纯度的TiB 2粉体,其晶粒尺寸为0.2~0.8μm。对制备的上述TiB 2粉体进行1800℃热压烧结,可得到致密度高达94%的TiB 2陶瓷,表明制备的TiB 2粉体具有良好的烧结性能,且其硬度、抗弯强度和断裂韧性分别为(22.9±2.3) GPa、(416.7±13.0) MPa和(6.8±0.4) MPa·m1/2。

TiB_2-B_4C陶瓷刀具切削Inconel 718合金的切削性能与磨损机制

采用热压烧结法制备了组成(体积分数,下同)为80%TiB_2-20%B_4C(TB2)和20%TiB_2-80%B_4C(TB8)的陶瓷并制成刀具,分别在切削速度为50 m·min-1和150 m·min-1下对Inconel 718合金进行切削加工,研究了陶瓷刀具的切削性能和磨损机制,并与YG硬质合金刀具的进行了对比。结果表明:TB2陶瓷的抗弯强度和维氏硬度均低于TB8陶瓷的,但断裂韧度比TB8陶瓷的高约26%;在两种切削速度下,TB2陶瓷刀具的寿命最长,约为TB8陶瓷刀具和YG硬质合金刀具的2倍;TB2陶瓷刀具后刀面和刀尖的磨损机制主要为黏结磨损,边界沟槽的形成机制主要为轻微崩刃和冷焊层剥落;TB8陶瓷刀具后刀面和刀尖的磨损机制主要为崩刃,边界沟槽的形成机制主要为崩刃和冷焊层成片剥落。