熱處理對(duì)氧化鋯材料熱膨脹系數(shù)的影響

薛志崗 王帥 龐佳敏

摘? 要：以氧化鋯粉料為原料，通過多輪實(shí)驗(yàn)。研究了影響氧化鋯材料熱膨脹系數(shù)的因素，總結(jié)出相關(guān)的結(jié)論和規(guī)律。研究結(jié)果表明：對(duì)氧化鋯材料進(jìn)行熱處理的時(shí)間以及熱處理的溫度都將影響材料的熱膨脹系數(shù)。

關(guān)健詞：熱膨脹系數(shù);熱處理;時(shí)間;溫度

1 前言

材料的熱膨脹是影響材料抗熱震性的主要因素。氧化鋯材料的熱膨脹與其相變有著密切的關(guān)聯(lián)。ZrO2具有三種晶型：低溫的單斜相（m相），中溫的四方相（t相），高溫的立方相（c相）。三種晶型之間可以相互轉(zhuǎn)變，溫度在1170℃左右時(shí)，單斜相向四方相轉(zhuǎn)變，并伴有7 ～ 9%的體積收縮，是氧化鋯陶瓷高溫下產(chǎn)生破壞的主要原因，因此，采用純單斜相氧化鋯材料來制成的陶瓷材料抗熱震性能不好。

一些研究表明：在一定條件下，氧化鋯材料的t-m相變溫度是可以改變的。如果材料中的氧化鋯晶體隨著溫度上升，有部分晶體發(fā)生t-m相變，也就是讓t-m相變分散到不同的溫度發(fā)生，就可以提高氧化鋯材料的抗熱震性能。因?yàn)閠-m相變分散，可以使相變產(chǎn)生的體積變化分散在材料從低溫到高溫的整個(gè)過程，避免集中在1170℃左右相變時(shí)材料劇烈的體積變化和由此產(chǎn)生的熱損傷，同時(shí)分散相變產(chǎn)生的收縮與材料受熱產(chǎn)生的膨脹相抵消，降低了材料受熱升溫過程的熱膨脹，提高了材料的抗熱震性能。

改變氧化鋯材料的t-m相變溫度，通過控制氧化鋯陶瓷材料的相組成和改變氧化鋯陶瓷材料的晶粒尺寸分布來實(shí)現(xiàn)。本項(xiàng)研究通過調(diào)整坯料組成和對(duì)產(chǎn)品熱處理的方法來實(shí)現(xiàn)氧化鋯材料t-m相變溫度的改變，提高氧化鋯陶瓷材料的抗熱震性。

2 實(shí)驗(yàn)原料

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

2.2 工藝流程

2.3 熱處理制度

（1）將燒成好的試樣從室溫升溫至1500℃，約10 h;

（2）1500℃保溫，3 ～ 6 h;

（3）降溫至1300℃保溫，3 ～ 6 h;

（4）降溫至1100℃保溫，3 ～ 6 h;

（5）降溫至室溫。

3 結(jié)果與討論

3.1 熱處理對(duì)熱膨脹系數(shù)的影響

如圖2所示1#為未熱處理的試樣，2#為熱處理的試樣。可以發(fā)現(xiàn)2#經(jīng)過熱處理的試樣熱膨脹系數(shù)比1#未經(jīng)過熱處理的試樣熱膨脹系數(shù)低。查閱相關(guān)文獻(xiàn)分析，熱處理的主要作用在于讓試樣中的單斜相相對(duì)增多，單斜相向四方相的轉(zhuǎn)變溫度為1170℃，并且伴有7 ～ 9%的體積收縮，從而降低高溫階段的體積膨脹，降低膨脹率。

3.2 熱處理時(shí)間對(duì)熱膨脹系數(shù)的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)目s短低溫保溫的時(shí)間將影響試樣高溫階段的膨脹率，使得膨脹率能夠相對(duì)的降低。如圖3所示，3#和4#為相同的粗細(xì)粉配方，具體熱處理制度如上表2所示，依據(jù)上圖的曲線，可以發(fā)現(xiàn)在1100℃以后，3#試樣的膨脹率比4#試樣的膨脹率高。經(jīng)分析，由于試樣中氧化鎂分布不均，部分晶粒中不含氧化鎂，部分晶粒中氧化鎂含量較多，在1100℃保溫時(shí)，單斜相是占優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)物，固溶氧化鎂較多的氧化鋯晶粒會(huì)逐漸釋放氧化鎂，但是原本不含氧化鎂的晶粒會(huì)逐漸固溶一部分氧化鎂，過長(zhǎng)的保溫時(shí)間，和試樣中氧化鎂含量偏多，使得固溶氧化鎂的晶粒逐漸增多，而尺寸較小的晶粒，四方相能保持到更低的溫度，甚至保留至常溫。從而在熱膨脹系數(shù)測(cè)試時(shí)，3#單斜相較少，引起的體積收縮較少。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)难娱L(zhǎng)高溫保溫時(shí)間可以總體降低試樣的熱膨脹系數(shù)。如圖4所示，5#和6#為同樣的粗細(xì)粉配方，熱處理制度如表3。根據(jù)上面的曲線可以發(fā)現(xiàn)5#曲線膨脹率整體高于6#曲線。分析其原因?yàn)?#試樣高溫處理時(shí)間比6#試樣時(shí)間短，在1500℃時(shí)氧化鋯中的立方相轉(zhuǎn)化為四方相，而5#時(shí)間較短，轉(zhuǎn)化為四方相的晶相也較6#而言少一些，故由此的影響，由四方相轉(zhuǎn)化為單斜相的晶相也相對(duì)較少，所以5#曲線膨脹率高于6#曲線。

3.3 熱處理溫度對(duì)熱膨脹系數(shù)的影響。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，選擇適當(dāng)?shù)臒崽幚頊囟葘⒂绊懢嚅g的相互轉(zhuǎn)化，相對(duì)低的熱處理溫度能降低析出四方相的晶粒尺寸，和增加四方相的生成量。圖5為測(cè)試結(jié)果，表4為具體熱處理制度?？梢钥闯?，7#曲線熱膨脹系數(shù)比8#曲線熱膨脹系數(shù)高。分析其原因：根據(jù)文獻(xiàn)上相圖可知，1400℃以上為四方相與立方相共存的區(qū)域，而1240 ～ 1400℃為四方相為主的區(qū)域。7#高溫處理溫度為1500℃，所以在處理的過程中無論處理時(shí)間長(zhǎng)短，總會(huì)有一定量的立方相存在，致使轉(zhuǎn)化不完全，影響熱膨脹系數(shù)。而8#熱處理方式為1300℃，處于有利于四方相的溫區(qū)，立方相會(huì)逐漸析出氧化鎂，轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较啵瑥亩?100℃保溫時(shí)，能生成的單斜相相對(duì)較多，熱膨脹系數(shù)相對(duì)較低。

4 結(jié)論

（1）在其他條件不變的情況下，適當(dāng)?shù)目s短低溫保溫的時(shí)間將影響試樣高溫階段的膨脹率，使得膨脹率能夠相對(duì)的降低。

（2）適當(dāng)?shù)难娱L(zhǎng)高溫保溫時(shí)間可以降低試樣的熱膨脹系數(shù)。

（3） 選擇適當(dāng)?shù)臒崽幚頊囟葘⒂绊懢嚅g的相互轉(zhuǎn)化，相對(duì)低的熱處理溫度能增加四方相的含量，降低熱膨脹系數(shù)。

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