一种高耐磨共晶陶瓷的制备方法技术

一种高耐磨共晶陶瓷的制备方法，属于新材料制备技术领域。其特征是所述共晶陶瓷的成分为Ａｌ２Ｏ３－ＺｒＯ２（３Ｙ）。所述共晶陶瓷的制备方法为首先获得具有一定形状的陶瓷烧结体，作为制备共晶陶瓷的坯料，然后采用真空下高温熔融的方法获得高耐磨共晶陶瓷。所述共晶陶瓷中Ａｌ２Ｏ３的摩尔含量为４０％～４９％，ＺｒＯ２（３Ｙ）的摩尔含量为５１％～６０％，所述原始粉体的平均粒径均小于１００纳米；所述共晶陶瓷的烧结温度为１４００～１５５０℃，熔融温度为１８５０～１９５０℃，熔融保温时间为３０～６０ｍｉｎ。本发明专利技术的效果和益处是所述共晶陶瓷的制备方法简单，主要设备价格低、易实现，可生产大尺寸材料，且获得的共晶陶瓷具有耐高温、高耐磨性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于新材料制备
，涉及。
技术介绍
随着科学技术的发展，一些高端设备对材料的耐磨性提出了更高的要求，尤其是 在恶劣环境下，如高温、强腐蚀等环境下材料的耐磨性，如航空发动机的喷嘴、喉衬、隔板、 燃烧室等。二元共晶陶瓷具有高硬度、高耐磨性、耐高温的特性，不仅能够较好地满足材料 力学性能方面的要求，并且在高温、强腐蚀环境下其组织结构稳定，能够在高温、强酸强碱 环境下长期服役。二元共晶陶瓷是一种性能优良的人工合成材料，由于具有共晶成分的材料通过熔 融生长，成为蠕虫状或纤维状的三维网络共晶组织，所以共晶自生陶瓷不仅具有以下优良 特征低空洞率、界面结合良好，而且在高温下表现出一种非常优良的力学性能。共晶自生 陶瓷在熔点附近依然具有高的组织和性能稳定性，在室温和高温下具有高耐磨性、高硬度、 高比强度、高抗蠕变性、较高的韧性及优异的抗氧化性和耐腐蚀性。二元共晶自生陶瓷在拥 有优异的综合力学性能的条件下，还能拥有超高的耐磨性。如果在恶劣环境下作为耐磨材 料使用，由于其稳定的化学特性，可以提高耐磨材料的使用寿命，降低生产成本，提高市场 竞争力。现有技术中制备二元共晶自生陶瓷的方法有两种，一种是将材料熔化后采用常规 的定向凝固法；另一种是采用激光束或电子束区熔定向凝固。上述两种方法均需要专门的 定向凝固设备以及电子束熔炼设备或激光器等，均存在生产效率低、对设备要求高、难以制 备较大尺寸的材料等缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高耐磨二元共晶陶瓷的制备方法。本专利技术采用具有共晶 成分的二元复合粉体来制备共晶陶瓷，将热压烧结技术与高温真空熔融技术相结合来制备 共晶陶瓷，制得具有特定形状且尺寸较大的高耐磨共晶陶瓷材料。本专利技术实现上述方法采取的技术方案是将Al2O3和&02(3Y)两种粉体按特定比 例的共晶成分混合均勻。在1400 1550°C的温度下进行热压烧结，获得特定形状(如圆柱 形或薄板形)的陶瓷烧结体；或者将混合后的复合粉体在室温下冷等静压成特定形状，之 后在1400 1550°C的温度下无压烧结获得陶瓷烧结体。随后，将获得的烧结体放入石墨模 具内在1850 1950°C的熔融温度内进行真空熔化，之后，随炉冷却后在室温下取出陶瓷材 料，即得到具有高耐磨性的二元共晶陶瓷。本专利技术制备高耐磨共晶陶瓷的上述方法概括为粉体制备、处理——烧结，采用真 空热压烧结或者冷等静压成型+无压烧结——熔融，采用高温真空熔融——炉冷。本专利技术方法中用于制备高耐磨的二元共晶陶瓷的主要成分为Al203+Zr02(3Y)，3Y 表示采用3% Y2O3稳定的&02 ；其中Al2O3的摩尔含量为40% 49% JrO2 (3Υ)的摩尔含量为60% 51%。其成分配比是通过最初称量三种粉体来实现的。本专利技术方法中烧结前最初采用的两种粉体为=Al2O3和&02(3Y)。两种粉体均应保 证分散良好，无硬团聚，且每一种粉体的平均粒径均小于100纳米。本专利技术方法中采用真空热压烧结制备烧结体的热压烧结温度为1400 1550°C， 热压烧结的保温时间为30 45min，热压压力为彡25MPa。若采用冷等静压+无压烧结法 制备烧结体，则冷等静压的压力应为彡200MPa，保压时间为彡5min ；随后无压烧结的温度 为1400 1550°C，保温30 90min，在真空炉中烧结或者在非真空设备中烧结。本专利技术方法中真空熔融的温度为1850 1950°C，以保证坯料完全成为熔融态，真 空熔化的保温时间一般为30 60min，使液相成分充分扩散，避免在试样内部出现气孔和 空洞。熔融过程中所采用的模具材料应为耐高温的结构材料，可以为高强石墨材料或碳化 娃。本专利技术利用二元共晶自生陶瓷本身具有的独特的微观结构，其共晶组织为一种氧 化铝和氧化锆单晶体互穿的三维网络结构。其在高温下具有良好的组织和性能稳定性。并 且由于各相界面结合良好，界面处无气孔和夹杂，因此，二元共晶自生陶瓷具有高耐磨性。本专利技术的效果和益处是在本成分下，氧化铝与氧化锆形成了共晶体，在熔融过程中单晶共晶体交错相互 生长，这就决定了共晶陶瓷除了具有高温稳定性好、耐腐蚀性好，还具有高耐磨性、高强度 的特性。本方法采用烧结+高温真空熔融的制备工艺，不需要昂贵的定向凝固设备和激光 器及电子束设备，只需要一台真空热压烧结炉即可。在本方法中最终材料或制件的形状由 模具的形状来保证，适合于批量生产规则形状的材料，如薄板、棒状、锥形、管状等；且只要 设备和模具的内部空间足够大，就可以获得较大尺寸的特定形状材料。附图说明附图是本专利技术制备规则形状共晶陶瓷时熔融成形模具结构示意图。图中1压头，2套筒，3垫块，4外套，5陶瓷坯料。具体实施例方式以下结合技术方案和附图详细叙述本专利技术的具体实施例。本专利技术实施例中所述的材料为二元共晶复相陶瓷，原材料为Al2O3氧化铝和 ZrO2 (3Y)氧化锆粉体，每一种粉体的平均粒径均小于100纳米。首先将Al2O3和&02(3Y)两 种初始纳米粉体均勻混合，通过烧结工艺，获得致密的圆柱烧结体坯料。然后将烧结获得的 坯料放入模具中，再将模具放入真空热压炉中，加热至1850 1950°C，保温30分钟，在保温 过程中施加较小的力，使得熔融体内部的气体更易排除。本专利技术所需的烧结过程和熔融过 程均可以在普通的真空热压炉中实现。实施例1 本实施例提供了。采用市售的Al2O3和&02(3Y) 纳米粉体，每一种粉体的平均粒径均小于100纳米。其配比满足烧结后得到的烧结体成分 为Al2O3 ZrO2 (3Y) =40 60，配比为摩尔比；将两种粉体按比例混合均勻，获得二元复 合粉体。在ZRY-100型真空热压烧结炉中对所得复合粉体进行真空热压烧结，烧结过程采用高强石墨作为模具材料，烧结温度为1500°C，烧结压力为30MPa，热压保温时间为30min。 即获得一圆柱形的纳米复相陶瓷烧结体，作为下一步的陶瓷坯料5。本实施例提供的熔融成形工艺过程为将烧结体陶瓷坯料5放入套筒2内，如附图 所示装配整个模具。随后，将整个模具放入真空热压烧结炉内，升温至1860°C，保温60min， 以便液相充分扩散，期间压头1加压并保压lOMPa，避免在熔融体内出现空洞和气孔。随后， 关闭加热电源，热压炉随炉降温至室温后，取出成形后的高耐磨陶瓷制件。采用本模具可以 制备出规则形状的高耐磨共晶陶瓷。实施例2 本实施例提供了一种制备二元共晶复相陶瓷的方法。采用市售的Al2O3和 ZrO2(3Y)纳米粉体，每一种粉体的平均粒径均小于100纳米，其配比满足烧结后的烧结体 成分为Al2O3 ZrO2 (3Y) =49 51，配比为摩尔比。将两种粉体按比例混合均勻，后经干 燥、研磨，获得二元纳米复合粉体。在冷等静压机中对所得复合粉体进行冷等静压处理，等 静压处理的压力为200MPa，保压时间为5min ；随后在箱式电阻炉中无压烧结，烧结温度为 1550°C，保温时间60min。即获得一厚度为3毫米、直径为30毫米的片状复相陶瓷烧结体， 作为制备熔融陶瓷的坯料。本实施例提供的制备工艺过程为将烧结体陶瓷坯料5放入熔融模具套筒2内。如 附图所示装配整个模具。随后，将整个模具放入真空热压烧结炉内本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高耐磨共晶陶瓷的制备方法，所述方法的制备过程为首先获得陶瓷烧结体，然后在高温下熔融，后随炉冷却获得高耐磨共晶陶瓷，其特征在于：ａ．所述共晶陶瓷是采用先烧结再熔融的方法制备；ｂ．所述共晶陶瓷材料中Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］的摩尔含量为４０％～４９％，ＺｒＯ↓［２］（３Ｙ）的摩尔含量为５１％～６０％；所述两种原始粉体的平均粒径均小于１００纳米；ｃ．所述共晶陶瓷的烧结温度为１４００～１５５０℃；ｄ．所述共晶陶瓷的熔融温度为１８５０～１９５０℃，熔融保温时间为３０～６０ｍｉｎ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈国清，祖宇飞，付雪松，周文龙，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]