原位生长法制备自增韧Sialon陶瓷的研究.pdfVIP

摘要

Sialon陶瓷因具有高强度、高硬度、高热稳定性和相对较高的韧性而成为重要的陶

瓷刀具材料，在镍基高温合金等难加工材料的加工中具有重要的应用前景。Sialon陶瓷

主要具有α相和β相，α相的硬度高于β相，但长棒状的β相具有更高的韧性。为了兼

顾Sialon陶瓷的综合力学性能，即同时拥有良好的硬度和韧性，本文以α相Sialon为主

要研究对象，采用直流电场辅助烧结，通过烧结助剂的引入和烧结制度的优化，调控

α-Sialon晶粒的形貌，使α相原位生长成长棒状形貌，获得自增韧α-Sialon陶瓷。主要

的研究内容和成果如下：

（1）本文采用原位生长法，首先设计了AlO-SiO-ReO（Re=Y、Dy、Er）的添

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加剂体系，引入液相烧结机制，在1600~1750℃温度范围内，首先调控YO的添加量

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（0wt%、1wt%、2wt%、4wt%），并以4wt%添加量的样品为研究对象，分别采用

不同离子半径的稀土氧化物DyO和ErO取代YO，取代量分别为25mol%、50

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mol%、75mol%、100mol%，探究单和双烧结助剂体系以及不同稀土阳离子类型对

Sialon陶瓷力学性能的影响。研究发现，单/双添加剂的加入，改变了α-Sialon陶瓷的微

观形貌，使得等轴状晶粒向长棒状晶粒转变，从而提高样品的断裂韧性。4wt%YO

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的单Y-Sialon在1650℃的烧结温度下具有最高断裂韧性（4.78MPa·m1/2）和较高的硬

度（18.0GPa）；双添加剂Dy-Y-Sialon样品的最佳制备工艺为1700℃的烧结温度、75

mol%的DyO替换量，其硬度值和断裂韧性分别为17.0GPa和5.01MPa·m1/2；Er-Y-

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Sialon样品的最佳制备工艺为1700℃、75mol%的ErO替换量，其硬度值和断裂韧性

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分别为17.7GPa和6.53MPa·m1/2。通过烧结助剂体系的设计和烧结工艺的优化，成功

实现了α-Sialon晶粒形貌的调控和自增韧，在保持其高硬度的同时，提高其断裂韧性。

（2）通过调控m、n值，研究其对单添加剂Y-Sialon和双添加剂Dy-Y-Sialon、Er-

Y-Sialon陶瓷的物相组成、微观形貌和力学性能的影响规律，以期寻求更高力学性能

Sialon陶瓷的最佳成分。本文设计了m=0.7，n=1.2；m=n=1.2；m=1.7，n=1.2；m=n=1

四组m、n值，首先在1650~1750℃烧结温度范围内制备了不同m、n值的4wt%YO

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添加量的Y-Sialon陶瓷。研究发现：随着m值的增高，α相占比逐渐升高且长棒状晶粒

数量增加，在1700℃制备的样品具有最优的力学性能，在m=1.7时样品具有较高的断

裂韧性和硬度，分别为5.85MPa·m1/2和16.6GPa。随后在1700℃下制备了不同m、n

值的Dy-Y-Sialon和Er-Y-Sialon样品，在m=1.7时，样品具有最佳的力学性能，其断裂

韧性和硬度分别达到了6.01MPa·m1/2和18.7GPa、5.93MPa·m1/2