一种对称且连续变化的表硬心韧氮化硅梯度陶瓷及其制备方法和应用与流程

本发明属于非氧化物基陶瓷材料技术领域，更具体地，涉及一种对称且连续变化的表硬心韧氮化硅(si3n4)梯度陶瓷及其制备方法和应用。

背景技术：

氮化硅(si3n4)陶瓷在结构陶瓷中占有重要的地位，具有高的强度、高硬度和高断裂韧性，良好的热稳定性、抗氧化性及化学稳定性等，广泛应用于燃气发动机的耐高温部件、化学工业中的耐腐蚀耐磨零件、高速切削刀具以及陶瓷轴承等。

目前，有关si3n4梯度陶瓷的研究已有很多，但大多集中在分层系统设计上，即通过改变层间配方或烧结温度而获得梯度结构。例如，hadad等人通过改变层间tin的含量制备了si3n4-tin复合梯度陶瓷材料，但由于si3n4与tin热膨胀系数不同而导致在界面处形成残余应力。yu等人通过两步热压烧结法即改变心部和表层烧结温度而实现表硬心韧si3n4基梯度陶瓷材料的制备，同时也通过热压与放电等离子烧结结合法即改变心部和表层烧结方式而实现表硬心韧si3n4基梯度陶瓷材料的制备，但以上两种制备方法工艺复杂，成本较高。此外，belmonte等人也通过对放电等离子烧结模具进行设计以实现连续变化的si3n4梯度陶瓷的制备，但其性能不对称使应用范围受到限制。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，本发明目的在于提供一种对称且连续变化的表硬心韧si3n4梯度陶瓷。

本发明的另一目的在于提供上述对称且连续变化的表硬心韧si3n4梯度陶瓷的制备方法。该方法通过低压放电等离子烧结的方法实现对称且连续变化的表硬心韧si3n4梯度陶瓷的制备。

本发明的再一目的在于提供上述对称且连续变化的表硬心韧si3n4梯度陶瓷的应用。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种对称型且连续变化的表硬心韧si3n4梯度陶瓷，所述si3n4梯度陶瓷是将si3n4粉和烧结助剂al2o3-re2o3混合，得到si3n4-al2o3-re2o3的混合粉体，再将si3n4-al2o3-re2o3混合粉体通过放电等离子烧结制得。

优选地，所述si3n4：al2o3-re2o3的质量比为(45～47)：(3～5)；所述al2o3-re2o3中al2o3：re2o3的质量比为(1～99)：(1～99)。

优选地，所述中re2o3中re为sc、y、la、ce、pr、nd、pm、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb或lu。

优选地，所述放电等离子烧结的具体方法为：在轴向压力为5～30mpa，1atm的流动氮气的条件下，以130～160℃/min的速率升温至1200～1600℃，然后再以90～110℃/min的速率升温至1600～1900℃，并保温1～10min。

所述的对称型且连续变化的表硬心韧si3n4梯度陶瓷的制备方法，包括如下步骤：

s1.将si3n4粉和烧结助剂al2o3-re2o3混料，以乙醇为溶剂，以si3n4球为球磨介质，经球磨混合，干燥后得到si3n4-al2o3-re2o3的混合粉体；

s2.将si3n4-al2o3-re2o3混合粉体放入放电等离子烧结炉模具中，在轴向压力为5～30mpa，1atm的流动氮气的条件下，以130～160℃/min的速率升温至1200～1600℃，然后再以90～110℃/min的速率升温至1600～1900℃，并保温1～10min，通过放电等离子烧结获得对称型且连续变化的表硬心韧si3n4梯度陶瓷。

优选地，步骤s1中所述si3n4粉的纯度为98～100wt.％，所述si3n4粉是粒径为<5μm；所述al2o3粉的纯度为98.5～99.99wt.％；所述re2o3粉的纯度为98.5～99.99wt.％。

优选地，步骤s1中所述混合的时间为4～12h。

优选地，步骤s2中所述轴向压力为15mpa，以150℃/min的速率升温至1400℃，然后以100℃/min的速率升温至1800℃，并保温2min。

所述对称型且连续变化的表硬心韧si3n4梯度陶瓷在刀具领域中的应用。

优选地，所述si3n4梯度陶瓷的相对密度为96～99％，所述si3n4梯度陶瓷包括边缘α-si3n4相和中心α-si3n4相；其中，边缘α-si3n4相的含量为30～70wt.％，所述中心α-si3n4相的含量为5～35wt.％；所述si3n4梯度陶瓷边缘的硬度为19～22gpa，所述si3n4梯度陶瓷边缘的断裂韧性(压痕法)为3～5mpa·m^1/2；，所述si3n4梯度陶瓷中心的硬度为16～20gpa，所述si3n4梯度陶瓷中心的断裂韧性(压痕法)为5～7mpa·m^1/2。

更为优选地，所述si3n4梯度陶瓷的相对密度为98％，边缘α-si3n4相的含量为52wt.％，边缘的硬度为20.6gpa，边缘断裂韧性(压痕法)为4.0mpa·m^1/2；中心α-si3n4相的含量为14.9wt.％，中心硬度为18.5gpa，中心断裂韧性(压痕法)为5.6mpa·m^1/2。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明的si3n4梯度陶瓷的α-si3n4相的含量、维氏硬度、断裂韧性与晶粒尺寸由样品中心对称轴沿半径与厚度方向均匀连续变化，进而实现表硬心韧梯度结构，且该梯度陶瓷不存在界面应力问题；

2.本发明通过放电等离子烧结方式，采用低的轴向压力实现对称且连续变化的表硬心韧si3n4梯度陶瓷的制备；该方法工艺简单，烧结压力低，成本较低。

附图说明

图1为实施例1制得的对称且连续变化的表硬心韧si3n4梯度陶瓷刀具边缘sem照片。

图2为实施例1制得的对称且连续变化的表硬心韧si3n4梯度陶瓷刀具中心sem照片。

图3为实施例1制得的对称且连续变化的表硬心韧si3n4梯度陶瓷刀具的维氏硬度与断裂韧性。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。

实施例1

一种对称且连续变化的表硬心韧si3n4梯度陶瓷的制备，具体方法如下：

(1)以si3n4粉为基体原料，以al2o3粉和y2o3粉为烧结助剂，按照si3n4粉质量分数为90％，al2o3粉质量分数为5％，y2o3粉质量分数为5％进行配料，以乙醇为溶剂，以si3n4球为球磨介质，在行星球磨机上混合8h，干燥后得到si3n4-al2o3-y2o3混合粉体。

(2)将si3n4-al2o3-y2o3混合粉体放入放电等离子烧结炉模具中，以150℃/min的升温速率将温度升至1400℃，然后以100℃/min的升温速率将温度升至1800℃，并保温2min，整个烧结过程轴向压力为15mpa，整个烧结过程为1atm的流动氮气，通过放电等离子烧结获得对称且连续变化的表硬心韧si3n4梯度陶瓷。

本实施例制得的对称且连续变化的表硬心韧si3n4梯度陶瓷刀具的相对密度为98％，边缘α-si3n4相的含量为52wt.％，硬度为20.6gpa，断裂韧性(压痕法)为4.0mpa·m^1/2；中心α-si3n4相的含量为14.9wt.％，硬度为18.5gpa，断裂韧性(压痕法)为5.6mpa·m^1/2。

图1为本实施例制得的对称且连续变化的表硬心韧si3n4梯度陶瓷刀具边缘sem照片。从图1中可知，边缘基本为亚微米等轴晶粒，未见到明显长棒状晶粒；图2为本实施例制得的对称且连续变化的表硬心韧si3n4梯度陶瓷刀具中心sem照片。从图2中可知，中心晶粒粗大，有明显的长棒状晶粒；图3为本实施例制得的对称且连续变化的表硬心韧si3n4梯度陶瓷刀具的维氏硬度与断裂韧性图。从图3中可知，维氏硬度从边缘向中心逐渐减小且呈对称分布；断裂韧性从边缘向中心逐渐增加且呈对称分布。因此，实现对称且连续变化的表硬心韧si3n4梯度陶瓷的制备。

实施例2

按照si3n4粉(粒径<5μm)质量分数为90％、al2o3(纯度为99.9％)粉质量分数为6％、yb2o3(纯度为99.9％)粉质量分数为4％进行配料，按照实施例1方法制备si3n4陶瓷材料，其中放电等离子烧结过程中，轴向压力为30mpa。

本实施例制得的对称且连续变化的表硬心韧si3n4梯度陶瓷刀具的相对密度为98.2％，边缘α-si3n4相的含量为30wt.％，中心α-si3n4相的含量为5.8wt.％，si3n4梯度陶瓷边缘的硬度为19.2gpa，si3n4梯度陶瓷边缘的断裂韧性(压痕法)为4.7mpa·m^1/2；si3n4梯度陶瓷中心的硬度为18.0gpa，si3n4梯度陶瓷中心的断裂韧性(压痕法)为5.7mpa·m^1/2。

实施例3

按照si3n4粉(粒径<5μm)质量分数为90％、al2o3(纯度为99.9％)粉质量分数为6％、y2o3(纯度为99.9％)粉质量分数为4％进行配料，按照实施例1方法制备si3n4陶瓷材料，其中放电等离子烧结过程中，轴向压力为10mpa。

本实施例制得的对称且连续变化的表硬心韧si3n4梯度陶瓷刀具相对密度为98.5％，边缘α-si3n4相的含量为60wt.％，中心α-si3n4相的含量为16wt.％，si3n4梯度陶瓷边缘的硬度为21.4gpa，si3n4梯度陶瓷边缘的断裂韧性(压痕法)为3.8mpa·m^1/2；si3n4梯度陶瓷中心的硬度为18.8gpa，si3n4梯度陶瓷中心的断裂韧性(压痕法)为5.5mpa·m^1/2。

实施例4

按照si3n4粉(粒径<5μm)质量分数为90％、al2o3(纯度为99.9％)粉质量分数为6％、la2o3(纯度为99.9％)粉质量分数为4％进行配料，按照实施例1方法制备si3n4陶瓷材料，其中放电等离子烧结过程中，轴向压力为5mpa。

本实施例制得的对称且连续变化的表硬心韧si3n4梯度陶瓷刀具的相对密度为98.6％，si3n4梯度陶瓷边缘α-si3n4相的含量为68wt.％，边缘的硬度为21.9gpa，边缘的断裂韧性(压痕法)为3.5mpa·m^1/2；si3n4梯度陶瓷中心α-si3n4相的含量为20wt.％，中心的硬度为19gpa，中心的断裂韧性(压痕法)为5.3mpa·m^1/2。

实施例5

按照si3n4粉(粒径<5μm)质量分数为90％、al2o3(纯度为99.9％)粉质量分数为6％、y2o3(纯度为99.9％)粉质量分数为4％进行配料，按照实施例1方法制备si3n4陶瓷材料，其中以200℃/min的升温速率将温度升至1400℃，然后以100℃/min的升温速率将温度升至1700℃，并保温5min，整个烧结过程轴向压力为5mpa，通过放电等离子烧结获得对称型渐进式si3n4梯度陶瓷。

本实施例制得的对称且连续变化的表硬心韧si3n4梯度陶瓷刀具的相对密度为98％，si3n4梯度陶瓷边缘α-si3n4相的含量为73wt.％，边缘的硬度为22.2gpa，边缘的断裂韧性(压痕法)为3.5mpa·m^1/2；si3n4梯度陶瓷中心α-si3n4相的含量为23wt.％，中心的硬度为19.4gpa，中心的断裂韧性(压痕法)为5.1mpa·m^1/2。

实施例6

按照si3n4粉(粒径<5μm)质量分数为90％、al2o3(纯度为99.9％)粉质量分数为6％、y2o3(纯度为99.9％)粉质量分数为4％进行配料，按照实施例1方法制备si3n4陶瓷材料，其中以200℃/min的升温速率将温度升至1400℃，然后以100℃/min的升温速率将温度升至1700℃，并保温5min，整个烧结过程轴向压力为5mpa，通过放电等离子烧结获得对称型渐进式si3n4梯度陶瓷。

本实施例制备得到的对称且连续变化的表硬心韧si3n4梯度陶瓷刀具的相对密度为98.4，si3n4梯度陶瓷边缘α-si3n4相的含量为73wt.％，边缘的硬度为22.2gpa，边缘的断裂韧性(压痕法)为3.5mpa·m^1/2；si3n4梯度陶瓷中心α-si3n4相的含量为23wt.％，中心的硬度为19.4gpa，中心的断裂韧性(压痕法)为5.1mpa·m^1/2。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。