Al2O3-ZrO2復(fù)相陶瓷的超塑壓縮變形織構(gòu)

李柏茹

(1.黑龍江科技學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院,哈爾濱150027; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,哈爾濱150001)

Al2O3-ZrO2復(fù)相陶瓷的超塑壓縮變形織構(gòu)

李柏茹1,2

(1.黑龍江科技學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院,哈爾濱150027; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,哈爾濱150001)

為了驗證Al2O3-Zr O2復(fù)相陶瓷壓縮變形后是否出現(xiàn)織構(gòu),采用X射線衍射(XRD)、極圖和掃描電鏡(SEM)對Al2O3-Zr O2復(fù)相陶瓷超塑壓縮變形后的組織進行了分析。結(jié)果表明:復(fù)相陶瓷壓縮變形后,Al2O3晶粒在(110)、(113)和(300)晶面出現(xiàn)擇優(yōu)取向,織構(gòu)強度高達6.21,而Zr O2取向不明顯。

Al2O3-ZrO2;復(fù)相陶瓷;超塑壓縮變形;織構(gòu)

Abstract:This paper is an attempt to verify whether there occurs the texture in alumina-zirconia composites subjected to compressive defor mation,by analyzing the microstructure of alumina-zirconia composites prepared by superplastic compressive deformation bymeans of X-ray diffraction(XRD),polefigure and scanning electron microscope(SEM).Results show that compressive defor mation is followed by preferred orientation in alumina crystal grains in(110),(113)and(300)crystal plane,with the maximum degree of texture of 6.21 times random,and without any obvious grain orientation in zirconia.

Key words:alumina-zirconia;composite ceramics;superplastic compressive defor mation;texture

0 引 言

Al2O3-Zr O2系高性能陶瓷,是較成熟的ZrO2彌散陶瓷。彌散于Al2O3陶瓷基體上的四方ZrO2粒子通過相變韌化,可顯著提高Al2O3陶瓷的韌性和強度。沒有雜質(zhì)的細晶Al2O3-ZrO2(x(ZrO2)= 20%)陶瓷可在1 400～1 600℃內(nèi)進行超塑性壓縮變形[1-4]。

織構(gòu)的形成和控制是一種提高材料機械和物理性能的重要方法,但通過高溫變形制備織構(gòu)化陶瓷的報道并不多見。Ma Yuechu等[5]研究了中等純度Al2O3在1 800℃熱壓、軸對稱熱鍛和平面應(yīng)力壓縮過程中產(chǎn)生的織構(gòu),并使用通過取向分布函數(shù)[6](ODF)計算獲得的完整極圖對織構(gòu)進行了分析。Yu-ichi Yoshizawa[7]等研究了細晶、標準純度的Al2O3燒結(jié)體在壓力80 MPa,溫度1 200～1 300℃變形過程中的織構(gòu),在高溫變形過程中,等軸的細晶基體組織中形成了盤狀晶粒,并且沿著變形材料流動的方向單向排列。

筆者擬通過Al2O3-ZrO2(x(ZrO2)=20%)復(fù)相陶瓷的大變形量超塑壓縮變形獲得織構(gòu)化的復(fù)相陶瓷,通過X射線衍射和極圖量化分析復(fù)相陶瓷中的織構(gòu),并利用SEM來分析Al2O3-Zr O2復(fù)相陶瓷在壓縮變形前后微觀組織的變化。

1 實驗方法

1.1 復(fù)相陶瓷制備

實驗原料為Al2O3和ZrO2粉體。其中,Al2O3為大連路明納米材料公司生產(chǎn)的高純α-Al2O3粉體,純度大于99.99%,平均粒徑80～100 nm。ZrO2為河北鵬達新材料科技有限公司生產(chǎn)的Y2O3(x(Y2O3)=3%)穩(wěn)定超細ZrO2(3Y-TZP),純度大于99.99%,平均粒徑50～80 nm。Al2O3-ZrO2(x(ZrO2)=20%)的混合粉經(jīng)球磨混料、干燥、研磨及過篩制成燒結(jié)前的配料。把配料裝入高強石墨模具中,先在室溫10 MPa冷壓,隨后在相同的模具中1 450℃保壓30 MPa,真空熱壓燒結(jié)1 h。燒結(jié)坯料為φ20×7 mm的圓柱體。

1.2 高溫超塑壓縮變形

壓縮實驗在ZRY-55型多功能真空熱壓燒結(jié)爐上進行,保護氣體為N2。變形溫度1 550℃,保溫時間10 min,壓力35 MPa,壓縮速率為2×10-3。裝模前,將毛坯和模具均勻涂抹氮化硼,以減小摩擦,同時保護坯料和模具的表面。壓縮變形后試樣見圖1。

圖1 壓下量ε=82%的壓縮試樣Fig.1 Compression speci men of rolling reductionε=82%

1.3 織構(gòu)的測定和微觀組織分析

沿平行于壓縮軸方向從壓縮試樣心部切割測試試樣。在D/maxⅢA型X射線衍射儀上分析材料變形前后的物相及晶體結(jié)構(gòu)的變化,同時在配套的X射線織構(gòu)衍射儀上采用反射法(按同心圓方式以5°步進掃描測試樣。對應(yīng)試樣在0～73.7°的每一個傾角,衍射儀都旋轉(zhuǎn)360°)和Cu靶的Co-Kα輻射測量變形件α-Al2O3的(110)、(113)和(300)不完整極圖,由計算機自動采集數(shù)據(jù),然后利用實測極圖計算出取向分布函數(shù)(ODF)并繪出完整極圖。

微觀組織觀察在英國MX2600FE熱場發(fā)射電鏡上進行。實驗條件:分辨率1.5 nm,電壓20 kV。試樣表面經(jīng)1 000#金相砂紙磨平后拋光,再用丙酮將拋光表面擦洗干凈。然后在1 350℃熱蝕10 min,取出冷卻后再進行酸蝕,采用體積分數(shù)為40%的氫氟酸在180℃酸蝕10 min。腐蝕后的試樣經(jīng)噴金處理。

2 結(jié)果及分析

2.1 X射線衍射分析

圖2為復(fù)相陶瓷超塑變形前后試樣垂直面的XRD衍射圖譜。由圖2可以看出,壓縮前后兩相的衍射強度均發(fā)生了變化。為了更明確觀察衍射強度在變形前后的狀態(tài),采用織構(gòu)參數(shù)法[8-9]表征材料的織構(gòu)度?？棙?gòu)取向度F為

F=(P-P0)/(1-P0),

其中,P0和P分別是無規(guī)則試樣和織構(gòu)材料(hkl)晶面的衍射強度和全部衍射強度之和的比值,即

由式(1)求出無規(guī)則試樣和織構(gòu)材料各個晶面的衍射強度和全部衍射強度之和的比值,將變形前后的比值相比較,從而得出變形前后衍射強度的變化。

圖2 燒結(jié)塊體和變形試樣的XRD衍射圖譜Fig.2 XRD patterns of sintering block and deformed speci men

圖3為壓縮變形前后試樣垂直面Al2O3和ZrO2的XRD衍射強度的變化,圖4為試樣(壓下量82%)垂直面上不同晶面織構(gòu)取向度F。

由圖3可以看出,試樣垂直面上Al2O3的衍射強度在(110)、(116)和(300)晶面變化比較明顯,在(113)晶面變化不大,而ZrO2的衍射強度沒有變化。由圖4可以看出,α-Al2O3相的織構(gòu)取向度F在(110)、(116)和(300)三晶面上的織構(gòu)取向度大,在(113)晶面的F很小;ZrO2相在各個晶面的織構(gòu)取向度F均較小。由此判斷變形織構(gòu)主要發(fā)生在Al2O3的(110)、(116)和(300)晶面上。為了便于對比分析,根據(jù)圖4a選擇(110)、(113)和(300)晶面對試樣(壓下量為82%)的垂直面進行織構(gòu)測定。

2.2 極圖分析

圖5所示為壓縮試樣垂直面上(平行于壓縮軸)Al2O3的(110)、(113)和(300)晶面的極圖,其中,圖5a、5c、5e為通過取向分布函數(shù)(ODF)計算而獲得的完整極圖,圖5b、5d、5f為實際測得的部分極圖。

由圖5b、5d、5f可以看出,(110)、(113)和(300)部分極圖雖未顯示出系統(tǒng)的織構(gòu),但是晶粒的擇優(yōu)取向在中心局部區(qū)域內(nèi)是明顯的[10],(110)極圖和(300)極圖擇優(yōu)取向占有絕對優(yōu)勢,而(113)極圖弱于前兩個極圖。從圖5a、5c、5e完整極圖中可以看出,織構(gòu)強度的最大值出現(xiàn)在極圖截面中心附近, (110)極圖和(300)極圖的極密度等值線高度分別為6.21和5.32,織構(gòu)明顯,(113)極圖的極密度等值線高度較小,為1.77,織構(gòu)較弱,這與織構(gòu)取向度F分析結(jié)果相同。完整極圖的正交對稱性表明,壓縮試樣垂直面出現(xiàn)了近軸對稱的織構(gòu),極圖的半徑對稱說明擇優(yōu)織構(gòu)屬于纖維織構(gòu)[7]。

圖5 壓縮試樣垂直面上Al2O3不同晶面的極圖Fig.5 Al2O3pole figures of different crystal plane of compressive speci men i n perpendicular plane

2.3 顯微組織分析

圖6為Al2O3-Zr O2復(fù)相陶瓷壓縮前后的SE M照片。由圖6可以看出,燒結(jié)體經(jīng)過超塑性壓縮變形后,材料的致密度增加,α-Al2O3相晶粒沿垂直壓縮軸方向定向長大,由燒結(jié)塊體平均粒徑的0.7μm長大為2μm,甚至更大。圖7為壓縮變形后試樣的SE M照片和背散射電子像(BSE),其中亮白色的為Zr O2晶粒,暗灰色的為Al2O3晶粒。由圖7可以看出,復(fù)相陶瓷超塑壓縮變形后,Zr O2晶粒尺寸幾乎沒有變化,仍保持等軸狀,而Al2O3晶粒與變形前的等軸晶相比晶粒形狀發(fā)生了明顯的改變,根據(jù)線截距法測得Al2O3晶粒的縱橫比達到3,復(fù)相陶瓷呈現(xiàn)明顯的織構(gòu)特征。這與織構(gòu)參數(shù)法的分析結(jié)論相同,即Al2O3-Zr O2復(fù)相陶瓷超塑壓縮變形組織中出現(xiàn)織構(gòu),且織構(gòu)僅存在于Al2O3相中,而與Zr O2相無關(guān)。

3 結(jié) 論

(1)Al2O3-ZrO2復(fù)相陶瓷的XRD圖譜顯示,變形前后Al2O3衍射強度變化顯著,而Zr O2衍射強度變化不大。

(2)織構(gòu)取向度F表明,壓縮變形后Al2O3晶粒在(110)、(113)和(300)晶面具有擇優(yōu)取向,而 ZrO2晶粒取向不明顯。

(3)極圖分析顯示,壓縮試樣垂直面上的Al2O3晶粒在(110)、(300)晶面織構(gòu)較強,織構(gòu)強度分別為6.21和5.32,(113)晶面織構(gòu)較弱,織構(gòu)強度僅為1.77。

(4)SEM觀察證實,復(fù)相陶瓷變形后Al2O3存在織構(gòu),ZrO2未出現(xiàn)織構(gòu)。

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(編輯 徐巖)

Defor mation texture of alum ina-zirconia composites prepared by superplastic compressive defor mation

L I B airu1,2
(1.College ofMaterials Science&Engineering,Heilongjiang Institute of Science&Technology,Harbin 150027,China; 2.College ofMaterials Science&Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China)

TQ174;TB331

A

1671-0118(2011)01-0020-04

2010-12-01

李柏茹(1977-),女,黑龍江省肇源人,講師,博士研究生,研究方向:金屬材料及塑性加工,E-mail:lbr-shmily@163.com。