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1、高温材料探究作业一、 设计方案陶瓷涂层硬质合金材料1. YG15为基体（WC85% Col5%）氧化铝/碳化硅复相纳米陶瓷为涂层材料采用溶胶-凝胶方法或者大气等离子喷涂方法2. YG15为基体（WC85% Co15%）含有稳定氧化钇的氧化锆陶瓷为涂层材料 采用蒸敷法（PVD物理气相沉积）或者等离子喷涂方法二、设计思路及原理所需高温材料包括以下几个要求：1. 工作温度大于等于1300摄氏度。2. 抗弯强度大于1 500兆帕、抗压强度大于2000兆帕。3. 大于1300度时材料具有良好的抗氧化及抗腐蚀性能。4. 抗热震性、抗热疲劳性能好。5. 脆性低于硬质合金。（一）设计思路分析常见耐高温金属的最
2、高熔点接近1500度，但升温至1300度以上材料势必软 化，故单纯采用常见耐高温金属不可取。常见陶瓷材料或陶瓷金属材料具有很强的耐高温性抗氧化性抗腐蚀性，但陶 瓷类材料的抗弯强度最高理论强度只有1500兆帕（Mo2NiB2、Y-PSZ）,而大多数 陶瓷材料抗弯强度只有500兆帕左右，抗压强度文献中都没有记载，故单纯采用 陶瓷类材料不可取。常见C/C复合材料高温性能、良好，但抗弯强度很低，大多只有200兆帕左 右。故不适合。由此可见采用涂层复合材料的方法使陶瓷材料的高温性能和金属的抗弯压 性能相结合。通过查阅资料得知：陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高刚度及良好的化学稳定性，然而其陶瓷抗弯强 度低、
3、韧性差在很大程度上影响了其应用。为改善脆性通常以复合材料形式出现， 但传统陶瓷复合材料的韧性仍不够。采用热喷涂技术在金属表面上制备陶瓷涂 层，将其优点与金属材料的优点结合起来获得各种功能涂层，正在成为当代复合 材料领域的一个重要分支。陶瓷涂层刀具拥有和硬质合金相近的强韧性的同时保 持陶瓷的耐磨耐高温等性能1。文献中记载的陶瓷涂层材料很大一部分是作为刀具方面和航空耐高温材料 方面的应用，故我们主要从这两个方面着手探究。根据目前可以查到的资料筛选出：1. 用热敷法（PVD的一种）制备以镍基金属为基体表面复合含有稳定氧化钇的 氧化锆陶瓷的复合材料【2】。2. 用溶胶-凝胶法制备以YG、YT为基体表面
4、复合Al203陶瓷的复合材料【3】。3. 用等离子喷涂法制备以MCrAlY为基体表面复合Al2O3陶瓷的复合材料【2】。（二）主要设计原理1. YG15抗弯强度为2200兆帕 抗压强度3000兆帕 。2. Al2O3在1600摄氏度以上转变为阿尔法Al2O3是高温稳定的材料【5】。3. Al2O3热膨胀系数较低为7.8，与YG15相近【5,7】。4. Al2O3涂层主要用于绝缘、热障、耐磨、抗腐蚀面层【6】。5. 一般地讲，热膨胀系数越小，材料因温度变化而引起的体积变化小，相应产生的温度应力小，抗热震性越好；材料固有强度越高，承受热应力而不致破 坏的强度越大，抗热震性好；弹性模量越大，材料产生
5、弹性变形而缓解和释 放热应力的能力越强，抗热震性越好。6. 一般情况下，YG类硬质合金的耐用度取决于材料的红硬性、耐磨性和冲击韧 性。YG类硬质合金中含钻量较多时，抗弯强度和冲击韧性好，特别是提高了 疲劳强度，因此适于在受冲击和震动的条件下作粗加工用；含钴量较少时， 其硬度、耐磨性和耐热性较高，适合作连续切削的精加工。7. 在Al2O3基体中加入第二相碳化硅可大幅改善基体的力学性能和抗热震性。8. 利用化学气相沉积方法制备图层可控制图层的弹性模量和膨胀系数，提高复 合材料的抗热震性。9. 复相陶瓷的增强机理：根据Griffith方程，临界缺陷尺寸的减小，断裂韧性 的提高以及内应力引起的晶界增强
6、都可以引起强度的提高，在复合粉体的球 磨混合过程中，SiC分体比较硬，可作为球磨介质发挥作用，能够打散Al2O3 粉体中的软，硬团聚体使粉体混合均匀，减少了成型及随后烧结过程中的缺 陷尺寸及数量。根据晶界钉扎模型，第二项的加入可以基体晶粒细化，随着 第二相得体积分数的增加，第二相颗粒粒径的减小，基体晶粒尺寸减小处于 Al2O3晶粒内的SiC颗粒对相邻晶界产生局部压力。起到增强晶界的作用【7,8】。10. 复相陶瓷的增韧机理：SiC颗粒可阻止裂纹的扩展，诱导裂纹偏析，使断裂 韧性提高,晶界的增强,导致断裂模式由沿晶断裂转变为穿晶断裂,并且出 现层状解理面，当脆性裂纹尖端遇到解理面时，能量被消耗，
7、从而组织了裂 纹的扩展，解理面密度越高，裂纹扩展阻力越大，导致断裂韧性的提高【7，8】。根据以上资料可以得出设计的材料符合各项要求二、 技术路线根据相关文献记录，传统 PVD、CVD 法在基体表面涂覆时涂层与基体结合强 度低，涂层较薄否则容易剥落3；等离子喷涂法未能较好的解决合金高温膨胀导 致脆性陶瓷镀膜破裂这一问题【4】。现在以普通大气等离子（APS）喷涂方法为例介绍设计技术路线。（一）材料组成基体：硬质合金表面涂层：三氧化二铝和碳化硅的纳米复相陶瓷（二）制备设备真空热压炉 、坩埚 、石英管式炉、等离子喷涂设备（三）步骤1. SiC粉末的制备：热分解法：使聚碳硅烷或三氯甲基硅等有机硅聚合物在
8、12001500C的温 度范围内发生分解反应，由此制得BSiC粉末。2. 粉体的均匀混合过程：复合粉体选用纯度比较高的， Al2O3 和 SiC 粉末， Al2O3 的纯度一般大于 99%,SiC中氧含量一般要小于2%,为了提高烧结性能，Al2O3的粒径一般在200 到 500nm 之间，并且要求粒度均匀，碳化硅的加入方式：前驱体转换化法，聚碳 硅烷是主链有硅原子和碳原子结合而成的一类有机聚合物，利用这种有机聚合物 的高温分解放出小单体，最终生成SiO2和C,再由C还原得到SiC粉末，这种 聚碳硅烷前驱体转化法制备的SiC纳米颗粒能够均匀的分布在Al2O3的分体中3. 复相陶瓷的制备：复相陶瓷
9、的烧结：采用采用热压烧结方法，热压烧结的温度相对较低，所得 的晶粒细小，同是具有较高的强度。4. 涂层的喷涂方式：采用普通大气等离子（APS）喷涂方法制备复相陶瓷涂层，等离子喷涂是以 非转移的等离子弧为热源,喷涂材料以粉末的形式送入焰流中心而获得涂层的一 种方法，将所得的纳米复相陶瓷粉末往枪体的送粉管中输送，纳米复相陶瓷粉末 在等离子焰流中被加热到熔融状态，并高速喷打在硬质合金表面上。当撞击硬质 合金表面时熔融状态的粉末发生塑形变形，粘附在基体表面，各粉粒之间也依靠 塑性变形而相互钩接起来，随着喷涂时间的增长，基体表面就获得了一定尺寸的 喷涂层。纳米复相陶瓷涂层具有良好的抗腐蚀性能和高耐磨性能
10、，给基体提供了 良好的保护【8】。四、参考文献【1】郑志刚.等离子喷涂氧化铝涂层性能研究2009（6）.2】耐热合金陶瓷镀膜蒸敷法在耐热.美国金属市场,1989(8).3】李元春、李久立、艾兴，等.涂层硬质合金材料的性能特点.4】李荣久.陶瓷-金属复合材料.北京：冶金工业出版社2004(第2版).5】周瑞发、韩雅芳李树索.高温结构材料.北京：国防工业出版社2006.6】邓春明、周克崧、刘敏，等.低压等离子喷涂氧化铝涂层的特性.无机材料学报，20091).【7】董亚丽.Al2O3/SiC复相陶瓷的制备及性能研究.2009 (6).【8】颜鲁婷、司文捷、苗赫濯.AlO /SiC纳米复相陶瓷材料的研究进展.2008 (8).23
