氮化硅陶瓷超塑性研究

以非晶氮化硅纳米陶瓷粉体为起始材料,以纳米氧化钇和氧化铝为添加剂液相烧结获得超塑性陶瓷块体材料,实现氮化硅陶瓷的超塑性拉伸和超塑性成形。氮化硅陶瓷的平均晶粒直径为280nm,在1550℃的较低温度,4.7×10-4/s的相对较高应变速率下,延伸率可达到110%,在成形速率0.2mm/min的条件下,可拉深成形出完好的球形和锥形零件。在室温断口上存在大量的细小的白色氮化硅晶粒;而高温断口上却几乎不存在这样的晶粒,这种不同可以用氮化硅陶瓷材料的超塑性变形机理来解释,也可以证明超塑性变形过程中晶界玻璃相的存在。     

纳米Si_2N_2O-Sialon陶瓷超塑性挤压试验与模拟研究

文章以Y2O3和Al2O3纳米粉体作为烧结助剂,真空热压烧结非晶纳米Si3N4粉体和纳米AlN混合粉体,制备具有超塑性的平均晶粒直径小于100nm的Si2N2O-Sialon复相陶瓷,研究纳米复相陶瓷的超塑性挤压性能。在1550℃的低温下,纳米Si2N2O-Sialon复相陶瓷实现了以1mm/s的高速率、3.57大挤压比的挤压变形,成形出良好的制件。采用有限元技术模拟Si2N2O-Sialon陶瓷的超塑性挤压过程,得出了不同温度挤压变形的力和行程曲线,以及挤压成形过程中应力和应变的分布情况,与实验结果进行比较,分析了纳米陶瓷超塑性变形的基本规律。研究表明,纳米Si2N2O-Sialon陶瓷具有较好的超塑性,可实现大挤压比挤压变形,可以进行工程陶瓷零件的超塑性成形。     

烧结不锈钢丝网多孔板材的冲压成形研究

以烧结不锈钢丝网多孔板为材料,在室温条件下通过胀形试验和筒形拉深试验研究材料的冲压成形性能。胀形试验结果显示,材料的胀形极限随着厚度及直径的增大而增大;厚度为1. 4和1. 75 mm的多孔板在直径Φ110 mm的冲模下胀形高度达到30 mm未出现破裂,说明材料具有良好的塑性。筒形拉深试验显示,拉深力随板材的厚度、直径的增大而增大,随孔隙率的增大而减小;厚度为1. 2 mm时,拉深极限比为1. 8。根据塑性力学基本理论,推导了烧结不锈钢丝网多孔板的拉深力预测公式,将理论预测与实际试验数据对比,验证了公式的适用性。研究结果表明,烧结不锈钢丝网多孔材料具有较好的塑性,可进行冷冲压成形,有助于拓展多孔隙功能材料的应用领域。     

纳米陶瓷的热压烧结及超塑成形(英文)

纳米陶瓷具有优良的室温和高温力学性能 ,如较高的抗弯强度、断裂韧性、耐磨性等 ,使其在切削刀具、轴承、高温发动机部件等诸多方面都有广泛的应用。利用纳米陶瓷的超塑性进行成形加工是实现复杂形状零件近净成形的重要手段。本文采用化学沉淀法制备了平均粒径 10nm ,且无硬团聚的 3Y TZP (3%摩尔氧化钇稳定的四方相氧化锆多晶体 )粉体 ,研究了不同密度素坯的热压烧结行为。 3Y TZP毛坯的超塑性拉深试验表明在 14 5 0℃压头速率为 0 2mm·min-1时可以实现半球形件的成形 ,其成形高度达到 5 7mm ;Al2 O3 ZrO2 纳米复相陶瓷的正挤压试验表明 ,这种典型的晶间 /晶内型纳米陶瓷在很高的温度下可以 0 . 5mm·min-1的压头速率进行挤压成形 ,在某种程度上可以满足工业成形的需求 ;Si3 N4 Si2 N2 O复合陶瓷通过烧结锻造可以成形陶瓷齿轮 ,其烧结温度为 16 0 0℃ ,超塑性锻造温度为 15 5 0℃。     

陶瓷超塑性变形机理研究进展

由于微纳米陶瓷材料在超塑性成形方面的潜在应用,近年来,关于陶瓷材料超塑性的研究已成为陶瓷领域研究的热点之一。关于陶瓷超塑性变形机理,目前普遍认为微观结构对陶瓷超塑性变形产生重要影响,细小晶粒之间晶界相互滑移在陶瓷超塑性变形过程中发挥重要作用,并且在改善和发展纳米陶瓷的超塑性方面已经取得了明显的进步。大多数学者对于陶瓷超塑性的变形机理的研究,目前还主要集中于晶粒局部变形的一些基本原则。文章在总结陶瓷超塑性影响因素和晶界滑移模型的基础上,以研究的氮化物陶瓷为例,对陶瓷超塑性变形机理进行了分析与探讨。     

SUS 304超薄板的微拉深成形尺度效应

设计开发了3套典型盒形件微拉深模具,分别为模具Ⅰ、模具Ⅱ、模具Ⅲ,将厚度分别为100,50和20μm的3种材料分别在常温、850和950℃的温度下进行热处理,将热处理后的板料放在3种模具中进行拉深成形,研究其最大拉深力和成形深度。研究发现,微成形过程的尺度效应很明显,最大成形力和成形深度会明显减小,且不能简单用宏观成形中的相似性和类比性进行计算和解释。通过归一化处理引入尺寸比例系数λ和厚度晶粒尺寸比t/D,发现λ能够更好地解释模具Ⅰ、Ⅱ相对较大尺寸微成形过程,模具Ⅲ成形过程只能通过引入厚度晶粒比t/D才能更好地解释微成形突变现象。     

某盒形件拉深成形计算机仿真研究

基于DYNAFORM动力显式有限元分析软件,将数值模拟技术应用于某盒形件的拉深成形过程,研究了该件的一次拉深成形,不同的毛坯形状、尺寸,以及不同的材料参数对该盒形件拉深的成形极限图、厚度分布、减薄率的影响。研究结果表明:一次拉深成形不能满足成形要求,必须采用多道次拉深;板料1由于尺寸较小而更利于拉深成形;厚向异性系数r值较大的材料,有利于拉深成形。     

酸洗材料对轮辐成形质量的影响

为避免钢制轮辐在拉深和反拉深过程中易出现拉裂或局部减薄等缺陷的问题,以某酸洗材料不同成分体系的两种原材料为试验材料,以材料的力学性能为基础,基于Autoform软件对以上两种材料进行仿真分析,从主次应变和厚度减薄对比研究两种材料的成形性,比较应变硬化指数n值和塑性应变比r值对成形质量的影响。对比轮辐实际生产中成形状态,得出塑性应变比r值较大时在厚度减薄上有利于零件的成形,3个方向的r差值应尽量较小,且保证3个r值在0. 8左右;当n值大于或等于0. 13时主应变量较小,破裂风险较低,有利于成形,组织均匀且伸长率更高的产品成形性优异。     

径向压力辅助充液拉深锥形杯的工艺窗口图（英文）

起皱和破裂是锥形杯成形过程中的主要缺陷。径向压力辅助充液拉深是一步成形筒形件的板材液压成形技术。获得了径向压力辅助充液拉深Al1050-O、纯铜和DIN1623 St14钢板的工艺窗口图。该工艺窗口图可快速评估板材液压成形零件的可制造性。采用有限元方法对径向压力辅助充液拉深进行模拟,并研究压力路径和原始材料及其厚度的影响。通过实验对模拟结果进行验证。结果表明:对于初始厚度较薄和强度较高的板材,其成形性更好,最终产品的的厚度分布也更均匀。所得工艺窗口图可以预测在不同加载路径下合适的加工区间以及破裂或起皱的可能性。     

纳米陶瓷的研究进展

纳米陶瓷是指晶界宽度、晶粒尺寸、缺陷尺寸和第二相分布都在纳米量级上的陶瓷材料,因其克服了传统陶瓷脆性较大的致命缺点,并在超塑性、铁电性能和力学性能等方面具有特殊的性能,而受到人们的广泛关注。综述了纳米陶瓷粉体的制备方法,包括物理合成与化学合成两种方式。物理合成方法消耗较大的能量且设备投资较大,因此纳米陶瓷粉体的制备以化学合成为主。在制备粉体的后期,还需通过加入分散剂和超声等方法来解决其团聚的问题。成型与烧结过程直接影响纳米陶瓷的性能。成型过程包括干法与湿法成型。干法成型简单易行,成体均匀,但容易引入杂质;而湿法成型能最大程度地减少杂质与团聚,但其工艺复杂、条件苛刻。烧结方法分无压烧结和压力烧结。在烧结过程中,如何将颗粒限制在纳米级别上成为各种技术需要攻克的难点。最后,阐述了纳米陶瓷的力学性能、铁电性能和超塑性,并简要介绍其在防护与涂层、生物医学材料和器具等方面的应用与创新。     

SiO_2-BN-Si_3N_4系复相陶瓷制备及性能

以Y_2O_3和Al_2O_3陶瓷粉体作为烧结助剂,对不同含量BN原料配比无压烧结制备SiO_2-BN-Si_3N_4系复相陶瓷,生坯采用注凝成型制备,然后在1780 ℃保温2 h烧结,烧结体主要由板条状的Si_2N_2O及长柱状的β-Si_3N_4晶粒构成,BN晶粒弥散在各晶粒之间.Si_2N_2O相通过反应SiO_2+Si_3N_4=2Si_2N_2O原位生成.Si_2N_2O具有优异的抗氧化性,Si_3N_4具有高的强度,而BN的加入大大提高了材料的可加工性能,材料结合了各相的优异性能.实验结果表明:材料热冲击性能优异,热冲击温差在800 ℃时,材料的弯曲强度还略有提高,1200 ℃时,材料的残余弯曲强度保持不变.     

纳米Si3N4对ZrO2-Y2O3陶瓷涂层耐磨性及耐腐蚀性能的影响

通过在ZrO2-Y2O3为基的陶瓷粉体中添加不同质量分数的纳米SirN4,采用哑音速氧乙炔火焰喷涂制备陶瓷涂层.探讨纳米Si3N4对涂层耐磨性及耐腐蚀性能的影响.结果表明,纳米Si3N4的加入使涂层的显微组织得到改善,减小涂层中的孔隙率,提高涂层的致密度;随着纳米SiN4加入量的增加,涂层的耐磨性、耐碱腐蚀能力呈先上升后下降的趋势;纳米Si3N4添加量为6%时,涂层中品粒细化效果、耐磨性、耐碱腐蚀性最好.     

采用铝灰和粉煤灰合成Sialon粉

以铝灰、粉煤灰和碳黑为主要原料,采用碳热铝热复合还原氮化工艺制备了Sialon粉体.研究了原料组成(Si/Al比分别为1.5、1和0.27)、碳黑含量(分别为10%、17%、22%和27%)以及合成反应温度(分别为1400, 1450, 1500 ℃)对生成物相的影响.结果表明,合成温度为1450 ℃,可以得到较纯的物相;随着还原剂碳黑含量的增加,使还原氮化反应进行的更为充分;在原料中Si/Al比为1时,加入17%的碳黑可以得到主要物相为Si_3Al_3O_3N_55(β-Sialon,z=3)和SiAl_4O_2N_4(15R)的产物;在原料中Si/Al比为1.5时,即加入80%的粉煤灰,在1450 ℃可以制备较纯的Si_3Al_3O_3N_5粉.     

稀土Lu_2O_3增强氮化硅陶瓷的结构与性能

以稀土氧化物Lu_2O_3作为单一添加剂,研究在热处理过程中,稀土氧化物对氮化硅在粉体状态下相变的影响.指出氮化硅粉体的α→β相变率与稀土氧化物的添加量、粉体的热处理温度之间的关系.发现热处理温度在1650 ℃以下时,氮化硅粉体的相变率随着添加剂含量的异常变化.以上述制备的β-氮化硅晶种,在不进行化学处理的情况下直接用于氮化硅陶瓷的增韧,使得所制备的氮化硅陶瓷在保持原有的室温强度基本不变的情况下,断裂韧性得到大幅度提高.在此体系中研究了β-氮化硅晶种的增韧效果及机制.分析了晶粒尺寸及其分布与氮化硅陶瓷性能及显微结构之间的关系.研究表明:以Lu_2O_3为单一添加剂的自增韧氮化硅陶瓷,晶种的加入使材料在保持强度的同时,断裂韧性提高了10%～20%.     

DESIGN AND PREPARATION OF SILICON NITRIDE COMPOSITE WITH HIGH FRACTURE TOUGHNESS AND NACRE STRUCTURE

ＤＥＳＩＧＮＡＮＤＰＲＥＰＡＲＡＴＩＯＮＯＦＳＩＬＩＣＯＮＮＩＴＲＩＤＥＣＯＭＰＯＳＩＴＥＷＩＴＨＨＩＧＨＦＲＡＣＴＵＲＥＴＯＵＧＨＮＥＳＳＡＮＤＮＡＣＲＥＳＴＲＵＣＴＵＲＥＹＨｕａｎｇ；Ｈ．ＮＨａｏ；Ｙ．Ｌ．ＣｈｅｎａｎｄＢ．Ｌ．Ｚｈｏｕ（１）Ｄｅ...     

Si_3N_4-SiC复相耐磨材料的冲蚀磨损性能

以Si粉和SiC为原料,采用半干法冷等静压成型,通过反应烧结成功制备了Si_3N_4-SiC复相耐磨材料.并将其和95Al_2O_3耐磨陶瓷在以水和SiC混合颗粒为冲蚀介质实验条件下,进行液固两相流冲蚀磨损对比实验.结果表明:原料中Si粉加入量为40%～80%(质量分数)试样的耐冲蚀磨损性能优于95Al_2O_3耐磨陶瓷.原料中Si粉加入量为70%试样的耐固液两相流冲蚀磨损性能最好,在平均线速度分别为132和67 m/min的实验条件下的冲蚀率分别仅为0.87%和0.30%.此外,通过SEM观察了冲蚀后试样的显微形貌,探讨了其耐液固两相流冲蚀磨损的机理.     

高温氮化反应制备α-Sialon

采用Si_3N_4、AlN和Li_2CO_3为原料,以Y_2O_3、CaF_2为添加剂,利用高温氮化反应合成得到不同阳离子掺杂的α-Sialon.并借助XRD和SEM等测试手段,研究了合成温度(1450, 1500, 1600, 1700 ℃)、添加剂(5.0%CaF_2、5.0%Y_2O_3、2.5%CaF_2+2.5%Y_2O_3,质量分数, 下同)等因素对试样反应产物的物相组成、晶面间距及晶粒微观形貌的影响.结果表明:采用Si_3N_4、AlN和Li_2CO_3等为原料,以(2.5%Y_2O_3+2.5%CaF_2)作为复合添加剂,利用高温氮化法在0.9 MPa的流动氮气中1700 ℃下保温3 h合成得到了不同阳离子掺杂的α-Sialon,在显微形貌中可见到长柱状晶粒.提高反应温度能够促进α-Sialon的合成;不同添加剂的试样由于阳离子的离子半径以及Al、O固溶量的不同导致形成的α-Sialon晶面间距不同.     

晶相组成对Si_3N_4陶瓷介电性能的影响

以MgO-Al_2O_3-SiO_2(MAS)体系作为烧结助剂,采用无压烧结,通过控制烧结工艺,制备出具有不同晶相组成的Si_3N_4陶瓷.研究了晶相组成对氮化硅陶瓷微波介电性能的影响.借助XRD、SEM对Si_3N_4陶瓷微观组织进行了研究.结果表明:在烧结过程中,有中间相Si_2N_2O产生;经1850 ℃、0.5 h烧结,β-Si_3N_4全部转变为具有较大长径比,显微结构均匀的长柱状β-Si_3N_4晶粒;Al~(3+)和O~(2-)能够进入β-Si_3N_4晶体内形成β-Si_(6-x)Al_xO_xN_(8-x)固溶体,使晶体内部产生较大的空隙或晶格畸变,在外电场作用下,易于产生离子位移极化,导致介电常数升高;同时,随着烧结温度的提高,存在于晶界的玻璃相含量增加,试样的介电常数随之升高.