α-SiAlON陶瓷的扩散连接研究

论文摘要

采用放电等离子烧结法（SPS）在1750℃/20MPa/10min条件下合成出了全致密的Y和Yb掺杂的α-SiAlON陶瓷材料,并对其进行扩散连接。研究了连接工艺参数及去应力热处理对α-SiAlON接头组织结构及力学性能的影响规律,揭示了两种α-SiAlON陶瓷的连接机制。SPS法合成的两种α-SiAlON陶瓷材料,显微组织以α-SiAlON棒晶为主,有效地实现了α-SiAlON的自韧化,其弯曲强度和断裂韧性分别为515～524MPa和4.8～5.6MPa?m1/2。断口的SEM观察结果表明,两种α-SiAlON陶瓷的断裂方式均为沿晶和穿晶混合断裂。采用压力扩散法可获得良好的Yb-α-SiAlON/Y-α-SiAlON连接强度,接头的弯曲强度与母材相近,并随连接温度和时间而变化,在1650℃/10min工艺条件下获得最高抗弯强度为601.5MPa。Yb与Y掺杂的α-SiAlON连接件经热处理后,Y和Yb掺杂的α-SiAlON材料由于组织粗化而使母材力学性能降低。此时,在三点弯曲试验中,试件全部断裂于母材中,测得的抗弯强度均在510MPa左右,说明接头的结合强度高于母材的断裂强度。α-SiAlON陶瓷的扩散连接过程分为:物理接触、接头液相形成、塑性形变及扩散与晶粒长大等四阶段阶段。连接过程中记录的压头位移曲线表明,Y和Yb掺杂的α-SiAlON陶瓷材料大约在1670℃产生变形,由此产生接头结合并实现了晶间相构成元素的互扩散。在1700℃/20min连接工艺条件下,棒晶穿过接头生长弥合了接头与母材的组织差别。接头中的元素扩散主要是稀土离子的扩散,随时间增加,扩散层厚度增加,其中Y3+的扩散距离大于Yb3+。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 SiAlON 陶瓷
• 1.2.1 α-SiAlON 陶瓷
• 1.2.2 β-SiAlON 陶瓷
• 1.2.3 SiAlON 陶瓷的合成方法
• 1.2.4 SiAlON 陶瓷连接的研究进展
• 1.3 陶瓷扩散连接
• 1.3.1 扩散连接概述
• 1.3.2 扩散连接的物理过程和作用机制
• 1.3.3 陶瓷扩散连接的工艺
• 1.3.4 影响陶瓷连接强度的主要工艺参数
• 1.4 研究目的、意义及内容
• 1.4.1 研究目的和意义
• 1.4.2 研究内容
• 第2章 试验材料及研究方法
• 2.1 试验原料
• 2.2 α-SiAlON 成分设计与制备工艺
• 2.2.1 组分选择
• 2.2.2 材料的化学组成
• 2.2.3 原料混合
• 2.2.4 烧结及连接工艺
• 2.3 性能测试
• 2.3.1 密度
• 2.3.2 维氏硬度
• 2.3.3 断裂韧性
• 2.3.4 抗弯强度
• 2.4 微观组织结构分析
• 2.4.1 XRD 分析
• 2.4.2 扫描电镜（SEM）观察
• 2.4.3 透射电镜（TEM）观察
• 第3章 Y 和Yb 掺杂α-SiAlON 陶瓷的制备及性能
• 3.1 α-SiAlON 陶瓷的致密化
• 3.2 α-SiAlON 陶瓷的物相及显微组织
• 3.2.1 XRD 物相
• 3.2.2 SEM 显微组织
• 3.2.3 TEM 显微组织
• 3.3 α-SiAlON 陶瓷的力学性能
• 3.4 α-SiAlON 陶瓷的断口观察
• 3.5 本章小结
• 第4章 Y 和Yb 掺杂α-SiAlON 陶瓷的连接性能
• 4.1 接头的形成
• 4.2 连接工艺对α-SiAlON 陶瓷物相的影响
• 4.3 Yb-α-SiAlON 与Y-α-SiAlON 接头的微观组织
• 4.3.1 连接工艺对接头SEM 显微组织的影响
• 4.3.2 热处理对接头SEM 显微组织的影响
• 4.3.3 接头的TEM 显微组织
• 4.4 α-SiAlON 接头的力学性能
• 4.4.1 连接工艺对接头抗弯强度的影响
• 4.4.2 热处理对接头抗弯强度的影响
• 4.4.3 接头的断口形貌观察
• 4.5 本章小结
• 第5章 α-SiAlON 的连接机制
• 5.1 接头区域的元素扩散
• 5.1.1 连接过程中的扩散
• 5.1.2 稀土元素的扩散动力学
• 5.2 α-SiAlON 的连接机制
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢