TiB-ZrO-SiC复相陶瓷的结构性能及磨损行为研究

摘要

以TiB2、ZrO2和SiCp粉末为原料，采用热压烧结法制备了TiB2-ZrO2-SiCp复相陶瓷材料。研究了不同烧结工艺、氧化锆及碳化硅百分含量对TiB2-ZrO2-SiCp复相陶瓷的力学性能及微观组织的影响。此外，还对样品在无润滑条件下的摩擦磨损行为进行了试验研究。 热压烧结工艺参数即温度和压力对样品的致密度和力学性能有显著影响。在第二种烧结制度下（1800℃和20MPa），样品的相对密度、硬度、三点弯曲强度及断裂韧性等力学性能指标均明显比第一种烧结制度（1700℃和15MPa）下样品的高；另外，第二种烧结制度下样品的磨损性能也明显好于第一种烧结制度下样品的磨损性能。样品的SEM分析表明，在第二种烧结制度下，样品具有更加致密的微观结构。 ZrO2和SiCp颗粒对样品的力学性能和磨损性能也产生一定的影响。通过比较TiB2/ZrO2/SiCp的比例为7/0/3、6/1/3、5/2/3的样品发现，当碳化硅含量为30％时，随着氧化锆含量的增加，复相陶瓷材料的力学性能呈下降趋势；而三者磨损性能几乎相当，这与碳化硅颗粒削弱氧化锆相变增韧效应有关。另外，TiB2/ZrO2/SiCp的比例为7/3/0、6/3/1、5/3/2的样品之间的比较也表明，当氧化锆含量为30％时，复相陶瓷材料的力学性能随碳化硅含量先增加后下降，当碳化硅含量为10％时，样品的力学性能最佳；而三者磨损率则随碳化硅含量的增加而下降。 样品的微观结构分析及强韧化机理分析表明，在TiB2-ZrO2-SiCp复相陶瓷中，为了充分发挥氧化锆的相变增韧和碳化硅纳米颗粒弥散强化作用，必须合理控制二者在复相陶瓷中的比例。结果表明，当TiB2/ZrO2/SiCp的比例为6/3/1或5/4/1时，样品的综合力学性能较佳，同时磨损性能也较佳。 在无润滑条件下的磨损试验结果表明，TiB2-ZrO2-SiCp复相陶瓷的磨损机理主要包括塑性变形、粘着磨损、磨粒磨损和脆性断裂。然而，对各种不同样品而言，起主导作用的磨损机制有所差别。另外，对于所有样品而言，磨损表面均有金属氧化物膜存在，这种金属氧化物膜的形成有利于降低摩擦副接触面之间的摩擦力，从而降低磨损。