流延法制备ZrO2/316L不锈钢功能梯度材料的工艺及性能研究

论文摘要

功能梯度材料（FGM）是为了适应新材料在高技术领域的需要，满足在极限温度环境（超高温、大温差）下正常工作而开发的一种新型复合材料。金属／陶瓷功能梯度材料既能够充分发挥陶瓷良好的耐高温、抗腐蚀和金属的高强度、高韧性的特点，又能很好地解决金属和陶瓷之间的热膨胀系数不匹配的问题，满足实际应用的需要。本文以ZrO2和316L不锈钢为原料，采用流延法制备ZrO2／316L不锈钢FGM，并从浆料的制备工艺、梯度成分分布设计和烧结工艺等方面来分析各个工艺参数对实验结果的影响，观察了宏观及微观形貌，分析了元素分布和显微硬度分布，最后进行了弯曲强度实验。结果表明：ZrO2／316L不锈钢混合粉经过8h预磨，可以制备稳定性和均匀性较好的流延浆料及流延生坯层；通过沉降率实验得到生坯层中ZrO2体积分数（C）和该层粘合剂与混合粉的体积比（M）的关系为：M=1．029C+1．652，可较为精准的确定各种成分生坯层的流延浆料中粘合剂的最佳体积含量，以保证流延浆料的稳定性，得到均匀的流延生坯层；对梯度成分分布进行优化，可以减小梯度层间的内应力；由第三冲击因子估算得到平均降温速率为0．81℃／min，减少ZrO2／316L不锈钢FGM在降温过程中产生裂纹的倾向。工艺优化后利用流延法制备出不同成分的ZrO2／316L不锈钢生坯层，再经叠层和1350℃真空无压烧结等工艺可以制备出成分过渡良好、外形平整的ZrO2／316L不锈钢FGM。通过对其宏观形貌的观察，没有发现开裂、气泡、翘曲和分层等缺陷，进而通过截面微观形貌观察、元素分布和显微硬度的表征，FGM的梯度层界面处是连续的，没有成分及元素的突变，过渡良好。弯曲强度实验表明：施加载荷的方向不同，则裂纹萌生位置和扩展方向不同，弯曲强度也有所差别。当在ZrO2面施加载荷时，裂纹从ZrO2／316L不锈钢中间层产生并分别向两边扩展，弯曲强度为234．64MPa，而在316L不锈钢面施加载荷时，裂纹产生于纯ZrO2层并向316L不锈钢层扩展，弯曲强度为168．75MPa。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 功能梯度材料及其发展现状
• 1.2.1 功能梯度材料的特性
• 1.2.2 功能梯度材料的主要制备方法
• 1.2.3 功能梯度材料的性能评价
• 1.2.4 功能梯度材料的研究现状
• 1.2.5 功能梯度材料的应用与前景展望
• 1.3 实验目的和主要研究内容
• 1.3.1 课题的目的
• 1.3.2 课题的主要内容
• 2/316L不锈钢FGM的制备'>2 ZrO₂/316L不锈钢FGM的制备
• 2/316L不锈钢FGM的设计'>2.1 ZrO₂/316L不锈钢FGM的设计
• 2.1.1 材料体系及成分设计
• 2.1.2 成分分布及结构设计
• 2.1.3 制备工艺设计
• 2/316L不锈钢FGM的制备'>2.2 ZrO₂/316L不锈钢FGM的制备
• 2.2.1 实验原料与设备
• 2.2.2 浆料的制备
• 2.2.3 流延成型
• 2.2.4 叠层热合
• 2.2.5 烧结
• 2/316L不锈钢FGM的性能测试'>2.3 ZrO₂/316L不锈钢FGM的性能测试
• 2.3.1 不同成分生坯层的相对密度
• 2.3.2 不同成分生坯层的烧结收缩率
• 2.3.3 浆料的沉降率
• 2.3.4 FGM的宏观形貌观察
• 2.3.5 FGM的微观形貌观察
• 2.3.6 FGM的力学性能分析
• 2.3.7 FGM的硬度表征
• 2/316L不锈钢FGM制备工艺的优化'>3 ZrO₂/316L不锈钢FGM制备工艺的优化
• 3.1 流延浆料配制工艺的优化
• 3.1.1 混合粉预磨对浆料均匀性的影响
• 3.1.2 粘合剂添加量对浆料稳定性的影响
• 3.2 粘合剂添加量与梯度成分分布优化
• 3.3 烧结工艺的优化
• 3.3.1 烧结中排胶制度的确定
• 3.3.2 烧结温度的确定
• 3.3.3 降温速率的确定
• 3.4 缺陷分析
• 3.5 本章小结
• 2/316L不锈钢FGM的显微组织与力学性能'>4 ZrO₂/316L不锈钢FGM的显微组织与力学性能
• 4.1 宏观形貌观察
• 4.2 微观形貌观察
• 4.3 元素分布分析结果
• 4.4 显微硬度
• 4.5 弯曲强度实验
• 4.5.1 弯曲强度分析
• 4.5.2 弯曲断裂裂纹分析
• 4.6 断口形貌
• 4.7 补强增韧分析
• 4.8 本章小结
• 5 结论
• 致谢
• 参考文献
• 在校学习期间发表的论文、专利、获奖及社会评价等