Формирование структуры и механические свойства спеченных в вакууме керамик ZrO2-Y2 O3 и ZrO2-Y2 O3-Al2 О3 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Р Г б од

На правах рукописи

Сайлина Татьяна Юрьевна

ФОРМИРОВАНИЕ СТРЗКТЗРИ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СПЕЧЕННЫХ В ВйШМЕ КЕРА'Ш ггоа - и гго4 - у^о, - А1.,ол .

(специальность 01.04.07-физика твердого тела)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск-1395

Работа выполнена в материаловедения СО РАН

Институте физики прочности и

Научный руководитель:

доктор физ.-мат.наук,профессор С.Н.Кульков

Официальные оппоненты: доктор физ.-лат.наук, профессор

О.П.Савицкий • доктор техн.наук..профессор В.И.Веревагин

Ведущая организация: Научно исследовательский и конструкторский мстнтут Сибирского Химического Комбината ( г. Северск )

Защита состоится _____ 1995 г. в

на заседании специализированного совета Д 003.61.01 при ИФПМ СО' РАН по адресу: 634021,г.Томск,пр.Академический,2/1.

С диссертацией кокно ознакомиться а. библиотеке институт».

Автореферат разослан 1995 г.

Отзывы по автореферату диссертации 'просим указанному адресу в двух экз. не позднее чек за зациты.

направлять по две недели до

Ученый секретарь спецсовета, доктор физ.-мат.наук

Е.В.Чулков

__________________________ Обцая характеристика работы

Актуальность темы. Проблемы создания технологий, материалов и изучения их свойстч всегда имели чрезвычайно важное значение в развитии научно-технического прогресса. Созданные в последние десятилетие керамические оксидные и нес.хиднне материалы находят вке большее применение в технике в качестве конструкционных и инструментальных изделий.

В настоящее время керамика на основе диоксида циркония аани*асг.ц«й1ралы»0С.нест?.. *,"••!' »апаииоврки* материалов. Это об'яьняысл прегде вс?го т?м, ч»» п« срлкивнив <. керамическими материалами, такими, как нитрид кремния и карбид кремния . диоксид циркония, упрочненный вследствие превращения, обладаёт более высокой прочностью и вязкостью при комнатной .температуре.

Для обеспечения этих уникальных свойств керамики необходимо получить высококачественный метериал обладаний высокой плотностью, однородной структурой с заданным размером зерна.

Первостепенную роль в этой связи играет технология'получения керамических материалов. Кинетика спекания и конечные свойства спеченного керамического материала существенно зависят, как от. свойств исходного поровга, из которого сформована заготовка, так и от технологических факторов формования и условий спекания.

(Актуальными являются исследования физики процессов Формирования структуры керамики, которая определяется технологическими приемами ее получения. изучение физики преэрачен.чй в материалах, установление основных закономерностей формирования свойств материалов от технологически)? факторов и микроструктуры.

Для получения высокопрочной керамики на основе 2тОг используют дисперсные и ультрадисперсные порошки, изготавливаемые различными методами. Пороики полученные методом плазмохиаического синтеза вызывают ловыиенный интерес,благодаря таким достоинствам, лак высокая степень чистоты,равномерное распределение компонентов в многокомпонентных системах, субмикрокный размер зерен. Однако низкие технологические показатели ( низкая насыпная плотность, большой разброс по размерам и Форме частиц *) таких пороиков, как и многих других, сдерживают их «ирокое

использование в качестве исходного сырья.

Анализ литературных данных показывает, что большинство псровков выпускаемых отечественной промыиленностьв не соответствует требованиям, предъявляемый к исходному сырью. И при их использовании для изготовления конструкционной керамики для достижения необходимых свойств спеченного изделия требуется л>.бо применение дополнительных способов по улучшение строения исходного порошка, либо использование специальных технологических приемов формования и спекания.

Поэтому разработка технологии получения конструкционной керамики с высокими прочностными характеристиками из порошков с низкими технологическими характеристиками является актуальной задачей.

Исходя из сказанного, определена цель диссертационной работы -изучение формирования микроструктуры и фазового состава. Физико-механических свойств керамики двух систем ( ггО» - УгС3 и ггОд - У2С3- Й1203 ) из плазмохикичеекмх порошков со слокной морфологией после спекания в вакууме.

Основные положения, выносимые на защиту.

1.Совокупность экспериментальных данных о влияниии технологических параметров формования и спекания на структурное состояние и механические свойства керамик 2гОг - и' гг02 - Уг05 - А1г03 .

2. Спекание в вакууме позволяет направленно в «ироких •предела* из'менять микроструктуру материала, меняя тем самым высокотемпературные свойства керамики на основе 1т0^.

3. Способ высокотемпературного спекания керамики на основе 2г02 с знхокими механическими свойствами из пороикоз с произвольным морфологическим строением.

Научная новизна. В работе впервые проведены исследования высокотемпературного спекания в вакууме л высокотемпературной деформации керамик 2гОг - У^О} и 2гПа - - Й1.20з .

Показано, что высокотемперртурным спеканием в вакууме возможно получение плотной кераиики с высокими механическими свойствами.

Варьируя параметры спекания ( температура, Бремя выдераки ) момно регулировать размер зерна керамики от 0.5 до 5.5 мкм, меняя тйм самым высокотемпературные свойства.

-------------.Показано, что кинетика спекания при высокой температуре не

зависит от характеристик" исходного сырья.____________________ ______________

Определены оптимальнае режимы формования и спекания керамик 2г9г - Чг0г и 2гОг - У*0, - Й^О, . .

Исследования высокотемпературной деформации показали, что керамика не содеркит гаких дефектов как поры и трещины дг з после высокой степени деформации Г до РХ ) при этом такие не происходит падения механических -"арактеристик.

Практическая ценность. На основании проведенных исследований -' «¿»«А-оаёП рчслкптемператирного спекания в вакууме, для

лол^чеииз вксэклпяотмих керамически;: ::лт"Г"а"пв нл »сн««» с

высокими механическими характеристиками. из пороаксш с произвольным морфологическим отроением. Полученные в - данной работе результаты по кинетике спекания и высокотемпературной деформации керамических материалов на основе ИгОг могут быть успевно использованы в практических; целях.

Разработанная технология спекания мояет использоваться при изготовлении керамических материалов • конструкционного и инструментального назначеыя.

Апробация работы. Основные- результаты диссертации доложены на 2-ом сьезде Керамического обцества СССР ( г.Москва. 1391 г. ), на Научно - технической конференции " Пути повышения качества и надежности деталей из порошковых материалов " (г.Варна;;', 1351г.), на Научно - технической конференции " Перспективные методы получения конструкционных материалов и покрытий, повывающих долгоьечность деталей мавин " ( г.Волгоград, 1931г.), на ! Российско - китайском симпозиуме " Актуальные проблемы современного материаловедения " £ г.Москва - г.Томск, 1932 г. ), на Международном секинаре-выстивкг С1ШВИТ- 93 (г.Томск, 1333 г.), на Россий кой конференции " Получение, .свойства и примеке! е энергонасыщенных УДП металлов и их соединений ". < г.Томск, 1333г. ), на отраслевом совещании по " Проблемам -и перспективам развития ТНХК ", ( г.Томск, 1394г. ).

Публикаций. Материалы диссертации опубликованы в 3 работах. .

Структура и обьеч работы. Диссертациг состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка цитируемой литературы С ИЗ наименований ), имеет общий объеи 182 страниц*. содермит 101 страницу маиинописного текста, 59 рисунков и 13 таблиц.

-б -

Основное содерлание

Во введении обоснована актуальность теин, сформулирована цель исследований,приведены основные положения выносимые на защиту.

Первый раздел "Получение плотной и прочной керамики на основе ггОг " посвящен обзору литературных данных о способах получения прочной и вязкой керамики не основе диоксида циркония. Приведен сравнительный анализ поровков, полученных различными способами..описаны достоинства и недостатки существующих методов производства керамиче-ких поровков. Рассмотрена технологические особенности формования и спекания,структура и физико-механические свойства керамик систем ИгОа - Тг^и 2г0г - Чг- Й1.2С1Л-. Изучены ' экспериментальные и теоретические : представления о форк /¿вании фазового состава керамик 2г0г - ИгО^ - 7г03 -

АЬаСь . их диаграммы состояния, взаимосвязь структуры и Фазового состава керамики'с механическими характеристиками. Рассмотрены вг окотемпературные свойства керамики на основе ггОг . .

Во' втором разделе "Постановка задачи.- Материалы и методика эксперимента" поставлены конкретные задачи исследования, дано ' об'снование выбора материалов исследования, приведены методики экспериментальных исследований. . '

В соответствии с целью работа поставлены следующие конкретные задачи исследования: ' • Л . -

!. Определить влияние структуры исходных .порошков на характер уплотнения керамик - и 2г0г - - АЦО} .

2. Исследовать влияние параметров формования ( изменение давления прессования, введения пластификатора ) на кинетику спекания керамики из ПХС поровков.

3. Изучить вли-ыие параметров спекания температура, длительность, среда спекания ) на стр^ктурообразование, Ф&зо&цй состав и механические свойства систем Ът^г - Чг и ггОг - V,03 - . . .

4. Ичучкть влияние структуру спеченной керамики на ее поведение при оы.:ок(тмнературнпй деформации.,

5. Рязрчботать,»;етод получения прочных ке].амических материалов на основе 2г0_>. '.

Керамические оАргчци приготавливали традиционными методами пороикпвой металлургии: операции .¡одготовки исходного сыри.

прессование "^исходного -(- в состоянии поставки • ) и

пластифицированного поролка, сгекание заготовок. Исходным—снрьеи--------------

служили порошки следующих составов: Zr02-3 мол./! Yz 03 - двойная систека и 80 вес.Х ?гОг (3 мол.7. ?203 ) + 20 зес.2 АЦ Oj тройная система, полученные методом плазмохимического синтеза на Сибирском химическом комбинате ( ВТЗ -4-25-90 .1, Иск¡дннй и пластифицированный порошок прессовали а гидравлическом прессе П S324 при давлениях от 100 до 40П МПа. Готовые прессовки спекали впэпухе и в вакууме (5-10"5мм. рт ст) при температурах от 1300 ШО'С с нагрева для

всех режимов составляла 300 град/час,' 'Ллз кегмдпялнш» давления прессования и введения пластификатора измеряли плотность и пористость образцов после прило*ения давления и после спекания. Коэффициент усадки измеряли по относительному изменению размеров образца до и после спекания. -•-...'..'•

После спекания образцы илифовалйсь ка алмазно*, круге и полировались с использованием стандартной металлографической технологии, мределение фазового состава керамики проводили рентгеноструктурным метод.м на установке "Дрон 3" с CvK¿ и CoX¿. , излучением. Идентифицировались присутствующие фазы на поверхности образцов после спекания, после механических и термических обработок. Точность определения фазового состава не иенее 5 X. Средний размер зерен спеченных образцов вычисляли методом секу <х по оптическим фотографиям термически травленной поверхности и по фотографиям угольных реплик с поверхностей изломов образцов. Прочность ' определяли методом трехточечного изгиба вести ■дйфованних образцов. Вязкость разрувения измеряли метвдом годеятнровзния по пяти.отпечаткам.

Высокотемпературная деформация проводилась нз установке Казакова. Образца формировались неосевам снятием ярк постоянных истин х напря1ениях. Количество добавляемой нагрузки производилось исходя из предполо*енйя. неизменности об'ема и равномерности деформации в процессе нагруж^ния. Нэгруяение производилось графитовыми пуансонами с ' покрытием В!1. Деформирование проводили при температурах 1500. íR00, 1700 °С и дазлении 100 «Па и при температуре 1В00 °С и давлениех 10, 50 и 100 ХПа. В качестве атмосферы использовался аргон (? = атн). После

высокотемпературной деформации определяли структуру. Фазовый

состав и механические свойства по вышеперечисленным методикам.

В третьем разделе "Формование и спекание керамик ZrO¿- Y¿ 0} и ZrO¿- Y¿0j- ñL^Oj из плазиохимических порошков" изучены влияние технологических параметров на структуру и свойства керамики на основе Zr(¡2 из плазмохиаических поронков и влияние давления Форкования на спекаемость керамик на основе ZrO¿ . Проведенные исследования исходного сырья методом просвечивавшей электронной микроскопии показали, что исходные поровки наряду с правильной ыарообразной формой частиц (наполненные и полые сферы) имеют частицы неправильной, слоеной формы ( чеиуйки, обломки полых сфер). Около 407. составляют нары поликристаллические (полые сферы), ~207. - мары монокристаллические (наполненные сферы),->-40% - пленки размером порядка 1 ыкм.

Порошки двойной и тройной сис-ем по форме частиц практически не отличаются друг, от друга, однако поровки тройкой системы, кроме этог'. содержат агломераты "пенообразного" вида. Средний размер -.астиц порошка ZrÜ2- .Y¿03 составляет 0.4 мкм. а порошка ¿гОг- . Y¿03- flL¿0j - 0.9 мкм.- Средний размер зерен в .поликристаллических частицах составляет - 20 им.

Показано, что максимальная плотность, которую mosho достичь при традиционных режимах формования и спекания (Р - 200 КПа, Теп,- от 130.0 до 1500"С ) составляет 80 и 702 от теоретической плотности для Zr0¿-Y¿0jH ZrOj-Уг0j- fiL¿0¿ керамик соответственно. , Металлографические исследования пок* ,али, что образцы содержат многочисленные поры. Это свидетельствует о том, что в процессе спекания не происходит достаточной усадки.материала приводящей к уплотнению и достижению высокой плотности. Это вызвано -зональным спеканием, керамики, которое 1лечет за собой неравномерное распределение пор, и, в конечном итоге, невозможность полного уплотнения. Показано, что по традиционным режимам спекания не »дается получить плотных и прочных керамических материалов из поровков со сложным морфологическим строением. ■Для изучения влияния технологических факторов формования на спекаемость керамики, образцы прессовали при довленилх от 100. цо 4Г;0 ЙПа и спекали в вакууме при температурах 1500, 1600 и 1750°С.

Проведенные исследования пока-али, что характеристики исходного сырья определяют условия прессования и кинетику спекания.

Введшие "пластификатора " увеличивает- - насыпную^ плотность по сравнению с исходным порошком вдвое и позволяет получить бездефектные заготовки при приложении давления до 400 МПа. Несмотря на то , что с увеличением давления прессования плотность прессовок рзстрт, плотности спеченного материала близкой к теоретической' мояио достичь только с повывением температуры до 1750 °С. Причем, плотность спеченной керамики при такой температуре не зависит от плотности прессовки, то есть от л^сш'" гр^^мяиия ( Рис.! ).

6.0 5.е

ы лв

«а>

&

И 50

и

йо гоо 5оо

"ХонДа

)оо гоо зоо аоо Р,каа

Рис.1. Зависимости плотности спеченных при температурах 1500 1500 .'о) и '7ПС°С (4) керамик 2г0г - '1гН (а) и 2г(!г -уг0д - 01г0, ((,) от давления прессования,

Поведение свойств керамики происходит с увеличением плотности, то есть с попывением температуры спекания.

Ионические характеристики керамики 2гСг -У* 0$ и 1г0г - 03 - й1г0Л после спекания в вакууме ( ¡750'С . \ ч, ) представлены в таблице.

К Р Т Е Р !-1 й Л

0" изг.. Ш

о И С т Кш, . МПа-м

В А

ни.

ГПа

гг0г - Уг0з 550 ^ 50

гг0г- У40.,- ЙЬгОз 650 Ь 50

7.5 ¿0.5 Ю. 5Ю. Я б.5Ю.5 И.5*0.5

В ■ четвертом разделе "'. Формирование структура. фазового состава и механических свойств керамики на основе 2гОг при спекании " изучены экспериментальные данные с влиянии температуры и атмосферы спекания на характер уплотнения керамики на основе 2гОг и механические свойства.

В работе получены зависимости плотности С Рис.2 ), размера зерна ( Рис.3 ) и количества моноклинной фазы спеченных в вакууме и на воздухе при Т 1Б00 н 1700"С образцов керамики от времени выдержки при спекании.

1 Ю го 30 40 50 г, час

5 Т,час

Рис.2. Зависимость пл^ности спеченных образцов керамики 2г0г -Са.вХи - У20& - Р.1,203 (б.г) после спекания в вакууме (о) и на воздухе (а) при Т 1600 *0 (а,б) и 1700 вС гв.г) от времени вндервки при спекании.

Плотность спеченной керамики С Рис.2 ) 'изменяется как от температуры спекания, тал и от длительности видеряки при спекании и среди спеканиз. Спеканием к вакууме, в отличие от спекания на воздухе, возможно получить керлникц с плотностью близкой к Теоретическому значении... С увеличением времени, вндсркки при

- и -

еп^кании'происхядит— изменениетолькоплотности, но также изменяется размер з*рен и фазовый состав керамики. С увеличением" длительности спекания и при, 1500 "С и при 170Л 'С происходит поьнч°ние среднего размера зерен керамики С Рис.3 ). Рост зерен в вакууме, по сравнении с воздухом происходит Солее медленно, о*обенно р тройной системе.

Рис.3. Кинетика роста зерен керамик 2г0д - Га,в) и -Уг0, - п1г03 (6.г) при спекании в вакууме (в> и на в орду«' ГА) при Т 5 (500 "С (а,б), и 1700 "С (в.г) от времени выдервки при спекании.

Фззовяй состав керамик после спекания претерпевает заметные вменения. Если до спекания керамика состоит из 1002. тетрагональной фаза ', то после спекания содержит тетрагональную СТ?. кубическую 'К или Т моноклинную- (Ю -Фазн 2гОа . количественное соотношение которнх определяется температурой спекания, временем.выдержки и скоростью охлаждения.

Проведенные исследования показали, что падение плотности керамики вызвано разрыхлением материала, связанное с тетрагонально - моноклинным. (Т-Ю превращением, вследствии роста зерен. Анализ значений плотности спеченной керамики и размеров зерен в зависимости от среды спекания показал, что при одикакоэнх режимах спекания ( Т и 'С - одинаковые) плотность . спеченных в вакууие образцов выше, а размер зерна меньме, чем у образцов спеченных на воздухе.

Такое различное поведение материалов при спекании, по всей видимости обусловлено различными механизмами спекания, связочные с влнякием среды спекания.

Расчет значений энергии активации процессов спекания к рекристаллизации при спекании показал, что значения энергии актизациии обоих процессов в вакууме в 1.5 раза меньве, чем на зоздухе. Сравнение полученных в данной работе значений с литературными позволили сказать, что доминирующими механизмами при спекании в вакууме являются диффузия по границам зерен и обьемкая диффузия, а при спекании на воздухе - поверхностная и обьемная диффузии.. .

Как. известно из литературных данных . при спекании в неокислительний атмосфере возникает больвое количество. кислородных вакансий, которые могут повысить коэффициенты обьенной и зернограничной диффузии, и как следствие снизить энергию активации.

Рентгенофазовый анализ показал, что понияение Еакт. процессов спекания и рекристаллизации не связано с'образованием новых фаз. таких как ZrO, Zr30 ,2гз0(-х .

Кеханачегкие свойства керамики двойной системы после спекания при 1600 сС коррелируют с плотностью материала,

С увеличением плотности свойства керамики растут и соответственно с понижениям плотности, вследствие Т - М пргпрацения - падаят. После спекания при 1700 °С в вакууме с увеличением длительности . спекания происходит рост всех прочностных характеристик, . ,й для керамики, спеченной на воздухе, где с увеличением длительности спекания наблюдается падение плотности, значения механических характеристик снизаятся. П ппьыиениен температуры спекания зние ¡700 °С на ьочдухе наблюдается интенсивный рост ■эерек, при(<ьдкций к самопроизвольному Т - « превращении и, кок

следствие, разуплотнение материала при охлаждении: -------------------------- _

Подобного поведения не наблюдается при спекании з вакууме при высоких температурах.

Наиболее оптимальной температурой спекания является 1?50'С. С увеличением времени выдержки от.1 до 3 часов плотность образцов •-■храмики двойной системы приближается'к теоретической, а после ? часов спекания - падает. Для тройной системы плотность с нвяличением длительности спекания от 1 да 3 часов . резко з"тпч чпибяи*««!^ к и с дальнейшим

увеличением времени до 1! ч. не йзнсияртсч. иедмчини пег """"""" составляет не более 2-У/, для каждого из режимов.

Увеличение длительности спекания ZrOj - Y г 05 приводит к заметному росту зерна, от 1.6 мкм при 1 часовой выдержка до 5 мкм при выдержке И часов. Увеличение среднего размера зерен обусловлено, в основном, за счет роста мелких зерен. В тройной системе 'также с увеличением чремени выдержки при спекании происходит рост, зерен. Однако этот процесс по сравнению с керамикой 7гОг - Угменее интенсивен. Зерна Й1г0» менее склонны к рекристаллизации при высокой температуре и оказывают сдерйиваюцее влияние на рост зерен 2г0* . С увеличением длительности спекания происходит изменение структуры кераьика от мелкозернистой - при малых вррменах спекания, к крупнозернистой - при больсшх временах выдержки.

После сп^каиия в вакууме, при !75С "П фазовый состаг-представляет: Т, К или Т' , Я - фа^и 1 г0г , количественное спотноиение которых определяется условиями спекания.

Стабильность высокотемпературных фаз ZrO^ при комнатной температуре определяется на только количество« растворенного стабилизатора, но и размером зерна. В литературе определен критический размер зерен Т фазы, при котором происходит самопроизвольное Т-К превращение" . вызывавшее разрыхление матррйала и снижение всех прочностных характеристик. Критический размер изменяется от 0.3 до 2 Л мкм. • •

При спекании в вакууме при 1730 Т критический размер зерна цля 7г0г - УЛП3 составляет 4,5 мкм. В керамике Zr0« -. - f)L> 0Л доме при размере зерна 5,5 мкм оледов моноклинной фазы к» полированной поверхности керамики после спекания не обнаружен.).

Ятс"тствие самопроизвольного Т-И превращения при размере

зерна знсчитрльно превышавший известный критический, может быть обусловлено дополнительной стабилизацией высокотемпературных фаз 2гОг кислородными вакансиями, появиваимися » резу.пыате наручения стехиометрии при спекании в вакууме.' О нарувении стехиометрии, то есть п возникновении значительного . количества кислородных вакансий могут свидетельствовать:

- черный цвет керамики на основе гг04 после спекания в вакууме;

- изменение параметров элеке- тарных ячеек К и Т Фаз ггОг :

- результат откига на воздухе в течение 1 ч- "Рй 1300 "С. спеченнойв вакууме при 1800 ®С , 3 ч. керамики: наряду с посветлениен, керамических образцов: ,произовло восстановление обьема злеие,.тарной ячейки'до значения соответствующему обьему без нарувения стехиометрии. ■

Иесмотр'я на то. что тетрагональная Фазг дополнительно стабилизирована /кислородными вакансиями,, она, тем не менее, способна испытать превращение под воздействием напряжения. - -

НУ,

Гйа.

<35?$« СД

4 3 5 Г» «С.ч

( 5 5 ? 9 И«,ч.

:Рис;4." Кинетика изменения твердости (а,б/, прочности (в,г) и вязквбти разрушения (д.е) керамик 2гОл - (а,а,д) и Шг -Уг03 - АЦОз (б.г.е) спеченных при !?50"С в вакууме.

Не рис.4. представлены области измеренных значений механических .характеристик керамик после спекания при 1750 °С с различными воеиензки выдержек. Причем, максимальные значения полученные в данной работе близки к максимальным значениям механических характеристик которые, на основании литературных данных мояно получить свободным спеканием керамики,

Б пятг разделе "высокотемпературная деформация керамики на основе 2г0* " изучены зависимости скорости деформации от размера

механические • свойства керамики после. внсокзтгклсрзтзрт"!* деформации, данн рекомендации по практическому применении керамики основе 2гОг .

Для исследования влияния микроструктуры керамики на ее поведение при- высокотемпературной деформации использовали керамические образцы с различным размером зерна , полученные, спеканием в вакууме и на воздухе (таблица 1) -

Таблица 1

Характеристики Сиеченной на воздухе и в вакууме керамики

Состав Среда Фазовый Средний Металлогр.

керамики спекания состав. размер пористосп ,

г. зерна. Г.

мкм

5М:85Т:10К . 0.9 7

гго2 - яоздух 5И:85Т:10К .1.1 8

ьь - ЗЗМ;52Т: ЮК 1.7 .13

ЗОТ;10К 1.4 2

вакуум 90Т:10К 2.4 г •

1 .. 30Т:10К . 5.5 1.5,

Для определения механизма деформации получали зависимости скорости .чефоркацич от размера зерна при 1600"С и давлении 'СО КПо, от приложенного напряжения при постоянной температуре, от изменения температуры при постоянном напряжении ( рис,5,6,7). [1езависиио от вида спзканкя скорость деформации уменьиается с ]величением размера зерна и описывается практически одним и тем

ё,с

ю5 *

«

г

■1

ь к

«е уравнением , с показателен степени я = - 2 (Рис.5), Максимальная скорость деформации достигается пр( минимальном размере зерна 0.3 мкм и составляет 1.3 • '.О"1 с*4 . < минимальная скорость - при максимальном размере зерна 5.5 мкм I составляет 4.3-10 с4. В таблице 2 представлена характеристик! керамики после деформации яри Т - 16С0*С и Р - 100 .МПа. Поел! деформации происходит изменение фазового состава и уменьаени! пористости. Металлографические исследования показали, чт< " снимение пористости связано с

вытеснением ее на крал образца Тэк«е в процессе деформаци! происходит формоизменение .зерв! Й'. г Скорость деформации дл керамики 7.гПг - - М.20з с - (.4 мкм 8 зависимости о напрякенкя ( рис.6. криеая 1 описывается уравнением показателем степени п - 0.09. По приведенной в литерату классификации для разных рекямо ползучести . при в = -2 и п £ 1 это диффузионная ползучесть п механизму Нлбарро- Херринга.

Однако, значение энергии активации процесса ползучести, полученное по температурной зависимости ( Рис.7, кривая Г), равное 210 кДя/моль, несколько низе известных значений пакт, объемной самодиффуэии. Зто -моке быть связано с облегчение диффузии в результате повнаени концентрации кислородных ваианс? Действительно, при деформации керамики спеченной на воздухе г бе предполагаемого наруиения стехиометрии ) получены зависимой скорости деформации от напрявения, температуры ( рис.5,6,/ кривые 2) с показателями степени в --2, п - 0.г а значен» Еакт. = 330 кДк/иояь, близко х известным ли : чым даннь

<6*

10 2.0 3.0 40 5.0 /г, шм

Рис.5. Зависимсть скорости деформации от размера зерна керамики 1г01 ~ - 81.^0,. подученной спеканием в ьа -кууме (кривая Н и на воз -духе (кривая 2), деформи -руемой сватием при Т 5 600 "С и давлении 100 КПа.

Таблица 2 : --------

Характеристики спеченной на воздухе и в вакууме керамики после деформации сяатием при Т tSOO'Ü и Р ICO Sííla в атносфере аргона

Состав ' Среда Фазовый Средний- Иеталлогр.

керамики спекания состав. размер пористость.

• г зерна. г

i i мкм

80Т: 207* 0.9 •

ZrO- - воздух 80Т:20Т 1.1 1

Y Л - 30Т:20Т' 1.7 1

fiLz03 . 30Т:20Т' Í.4 1

вакуум 80Т:20Г 2.4 , 1

• . 80Т:20Т' 5.5 1.5

Рис.В-. Зависимости скорости деформации от истинного напряжения для керамики1 ггПг - \'г0Л - йЬг0з со средним размером зерна С!ср. г. 1.4 м.ьм (кривая 1) и - 0.0 мкм (кривая 2).

юУт, 1/к

Рис.7. Температурные завис и -мости скорости деформации для керамики 2г0г - 7г0л - PL20., со средним размером зерна dr.?. = 1.4 мкм Скрипач П'г dtp. = 0.5 и км (кривая 2).

энергии активации обменной самодиффузии.

Измерения механических характеристик до и после - деформации показали, что прочность керамики после ■ деформации остается на : прением уровне, твердость материала повкиаетпя. а вязкость разрувения незначительно снижается. Повышение твердости вызвано - снижение« пористости после деформации '..-а снижение вязкости . разрдвения связано с изменением структуры. то есть формоизменением зерен 03 после деформации и возможным^ термическими напряжениями, возникшими как в процессе деформации, так и при охлаждении после деформации.

1, Проведенные исследования показали, что сложная морфология исходных порожков является причиной низкой плотности и низких механических свойств керамик спеченных при температурах до 1600*0

Повышение .плотности прессовки не приводит к сниьенив температуры <-пекакия.

Плотности керамики близкой к теоретическому значение можно достичь только с повывением температуры спекания до 1750еС.

При такой температуре плотность спеченной керамики, не зависит ■ от плотности прессовки, то есть оглавления прессования.

На основании рассчета энергии активации процесса уплотнения в . зависимости от температуры спекания и давления прессования -оптимальными давлениями прессования являются для керамики 2гОг -- 200 МПа .а для керамики 2гОг - Уг0л - А1Л0Л - от 100 до 300 КПа.

2. В работе показано, что в отличие от спекания на воздухе, где применение высоких температур для достижения высокой плотности материала ограничено эффектом тетрагонально - моноклинного ст- и) превраченкя, вследствие роста зерна, спеканием в . вакууме при высокой температуре можно получить плотный материал с высокими механическими свойствами.

В результате спекания, б ьакууме реализуется механизм дополнттбльной стабилизации за счет . возникновения кислородных вакансий, возникавших & 2г0г ' -, • что позволяет получить тетрагона льнув фазу 2г0г при "комнатной температуре.

Хикроструктдра керамики на основе 2гОг определяется временем выдержки при спекани при высокой температуре. В ' зависимости от

Бремени выдержки мокко регулировать размер зерна от 0.3 до 5 мкм.--------------------

Остановлено, что критический размер зерна тетрагональной фазы, при которой происходит самопроизвольное Т - И преврацениа для 2гОг 3 кол.Х ?г0& равен 4.5 мкм. Для тройной система дестабилизации не происходит даже при 5.5 мкм.

3. Керамика, полученная высокотемпературным спеканием в вакууме способна испытывать превращение под воздействием напряжения.

;/'-»=иаивские свойства керамики после высокотемпературного

"""'"ИЗ внЯ " «;йС1й*:с«!27~0?СТРвИЯо:

6* изг. - 1000 и 1100 МПа: кчс - 'Л и ¿С 'Па Ни - 12 и 13 ГПа близки к максимальным значениям механических характеристик которые, на основании литературных данных, моякп получить .вободным спеканием керамики,

4. Скорость деформации керамики с увеличением размера зерна от

0.9.дс 5.5 нкм снижается от 10*® до 10"* сек"1 . .При высоко -температурной деформации происходит формоизменение зерен .

Б зависимости . от размера зерна, . истинного напряжения . и температуры 'деформации определен механизм высокотемпературной ползучести. Это диффузионная ползчесть по механизму Набарро -Херринга.

Энергия активации ползучести керамики 2г0г - ?2.П} - 81. г 03 полученной спеканием на воздухе с 0,9 мкм Еякт. ^ 330 кДя/ моль,- а у керамики, полученной спеканием в вакууме с ср. - 1.4 мкм 210 кД« / моль. Понижение энергии активации ползучести

связано ' с облегчением диффузии в результате повышения концентрации кислородных'вакансий в 2гОг ь процессе деформации.

После деформации происходит повмаение твердости керамики, обусловленное исчезновением пористости и незначительное понияение вязкости.разрушения, связанное с формоизменением зерен Й1л 03 и возможными термическими напрялениями, возникшими при -охлакдснии после деформации.

Основные результаты диссертации опубликована в следующих , работах: ' : " '

1. Т. М.Поле тика, 1!.Л.Савченко,Т.В.Соблина, С.И.Кульксп Прочность керамики со структурными превращениями-// Тез, доил "тучно - технической кокф. - г.Барнаул, 1991.- с.22.

2. П.Б.Овечкин, А.И.Одосман, С,Я.Кульков, Т.й.Политика, II,Л,Савченко, Т.Я.Саблин«. Получение вязкой керамики на основе

диоксида циркония // Тез. докл Научно - технической конф..

. г.Волгоград, 199!,- с. 157-158.

3. Н,Л.Савченко,Т;В,Саблин5,Т.М.Болетика. А.С.Йртие, Б.3.Пыхов, С,Н.Кульков. Новые высокопрочные керамические композиты для ьу*д химической промынленчости //-Тез.докл. Б - го отраслевого совещания " Проблемы и перспективы развития производственного

. обьединения ТВХК '; г.Томск, 1992.- с.бБ-67.

4. Н.Л.Савченко.Т.Ю.Саблина,Т.М.Полетика. А.С.Дртив,' С.'З.Пыхов, С.В.Кульков. ' Получение ; вязкой конструкционной керамики на основе 1г6г //Тез.Докл. Иеадунар, конф. " Прочность и плае^чность; материалов б условиях внешних энергетических воздействий г.Новокузнецк, iS33.-c.lll.

5. Н.Л.Сааиенко.Т.В.Саблина.Т.М.Полетика. А.С.Йртиг. С.Н.Кульков. Высокотемпературное спекание в вакууме плазмохимически)! поровков на основе ггО^ // Пороиковая кетал.^ргия, 1334. И 1-2, с.26-30. ' . ?

6. Т.В.Саб-ина, И.Л,Савченко. А.Г.Мельников, В.3.Пыхов. С.Н.Кульков. Получение вязкой и прочной керамики на основе диоксида циркония // Тез.докл.*? - го отраслевого совещания " Проблемы и перспективы развития производственного обьединени? ТНХК г.Томск, 1333.- с.171-175.

7. Т.В.Саблина, В.Л;Савченко. А.Г.Мельников, С.Н.Кульков. Спекание в вакууме ■ керамики на основе // Стекло ^ керамика, 1334, К 5-гб, 0.27-29.

8. Н.Л.Савченко. Т.Ю.Саблина. С.Я.Кульков. Спекание в вакуум, плвзмохикических поровков на основе 2гдг

■ 1. Влияние температуры спекания на свойства керамики А

, Поровковая неталлургия. 1954. Н 11-12, с.14-18.

9. В.Л.Савченко, Т.Ю.Саблина, С.11.Кульков. Спеканче в вакуум* плазмохимических поровков на основе 2г0а

2. Влияние времени спекания при высокой тенпературе н; свойства спеченной керамики // Поровковая металлургия. 1295 / 1 1-2. с,29-34. .