1 武汉科技大学，省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室，武汉 430081
2 武汉钢铁集团耐火材料有限责任公司，武汉 430082
为改善镁砂抗水化性能、抗热震性能及抗熔渣渗透性能，在轻烧氧化镁粉中添加1% (质量分数)、2%及3%的TiO2微粉制备镁质复合材料，研究了TiO2含量对材料烧结行为、显微结构及各性能的影响。结果表明：随TiO2添加量增加，游离CaO及部分MgO相继转化为CaTiO3及Mg2TiO4相，且MgO晶粒尺寸增大，样品抗水化性能显著提高。CaTiO3及Mg2TiO4晶间相的形成降低了样品的热膨胀系数，诱导裂纹发生偏转，因此，样品的抗热震性能也随TiO2增加逐步提高。此外，添加1%的TiO2样品，因MgO晶粒增大及高稳定性的CaTiO3晶间相形成，抗渣性能明显提高。然而，进一步增加TiO2，低稳定性的Mg2TiO4晶间相的生成显著降低了样品的抗渣渗透性能。
氧化镁 游离氧化钙 氧化钛 抗水化性能 抗热震性能 抗渣渗透性能 magnesium oxide free calcium oxide titanium oxide hydration resistance thermal shock resistance slag penetration resistance
1 军事科学院, 国防科技创新研究院, 北京 100071
2 中国航发北京航空材料研究院, 石墨烯及应用研究中心, 北京100095
超高温陶瓷材料耐温性能优异, 但本征脆性和较差的抗热冲击性能一直都是限制其进一步工程应用的主要障碍。石墨烯作为一种碳原子排列成蜂窝结构的二维纳米材料, 具有优异的力学、电学和热学性能, 常被作为添加相来改性陶瓷基体, 使其成为陶瓷复合材料中理想的增韧材料, 实现复合材料的功能化和结构化。本文对石墨烯/超高温陶瓷基复合材料的制备工艺、仿生构筑、微观形貌、宏观性能等方面的研究成果进行了全面的综述, 着重论述了石墨烯对超高温陶瓷基体的增韧作用效果及机理、热学性能、抗热震性能、抗氧化性能的影响, 并对目前面临的挑战和未来发展进行展望。
石墨烯 超高温陶瓷复合材料 力学性能 抗热震性能 抗氧化性能 graphene ultra-high temperature ceramic composites mechanical properties thermal shock resistance oxidation resistance
在陶瓷表面引入含压应力的涂层是一种有效的增强技术。本研究将氧化铝和石英粉混合浆料涂覆在预烧后的氧化铝坯体上, 无压共烧原位合成了热膨胀系数较低的莫来石-氧化铝涂层。利用降温过程中涂层内形成的残余压应力实现了氧化铝陶瓷的预应力强化。结果表明：随着涂层中石英掺量增加, 预应力氧化铝的强度出现先增大后减小的趋势; 当涂层中掺入石英的质量分数为15%时, 预应力增强效果最好, 涂层与基体界面结合紧密, 预应力氧化铝陶瓷的弯曲强度达到(549.44±27.2) MPa, 比普通氧化铝的强度提高了37.19%; 当涂层中掺入石英的质量分数增大到15%以上, 由于烧结收缩不匹配反而引起强度下降; 这种预应力增强效果会随着温度升高逐渐减弱, 当测试温度达到并超过1000 ℃时, 预应力氧化铝和普通氧化铝会具有大致相等的抗弯强度。由于表层压应力的存在, 预应力氧化铝还展现出更好的抗热震性能和损伤耐受性。
预应力强化 氧化铝陶瓷 低膨胀系数 弯曲强度 抗热震性能 pre-stressed strengthening alumina ceramics low coefficient of thermal expansion flexural strength thermal shock resistance
1 武汉科技大学，省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室，武汉 430081
2 武汉科技大学，高温材料与炉衬技术国家地方联合工程研究中心，武汉 430081
在轻烧MgO粉中添加5% (质量分数)、10%、15%及20% m-ZrO2粉，于1 600 ℃条件下制备了MgO-ZrO2耐火骨料，研究了ZrO2含量对材料烧结行为、显微结构、力学性能、热学性能及抗热震性能的影响。结果表明：ZrO2主要弥散分布于方镁石晶界处，抑制了方镁石晶粒异常长大，促进了气孔排出，部分m-ZrO2与MgO发生固溶形成c-ZrO2，活化了方镁石晶格，促进了试样烧结及致密化，但ZrO2超过10%会导致MgO晶界处形成较多微裂纹，使得试样致密度略微降低。添加ZrO2后，方镁石晶粒间结合减弱，试样强度略降低，裂纹扩展方式以沿晶断裂为主，发生偏转及分叉效应，使得试样断裂韧性KIC显著提高。当ZrO2添加量为20%时，试样中MgO晶粒最小，裂纹扩展路径最长，表现出最佳KIC。此外，添加ZrO2虽然会导致试样导热率λ呈下降趋势，但试样KIC明显提高，热膨胀系数α不断降低，试样抗热震性能得到提高。ZrO2添加量5%试样的残余抗折强度及残余抗折强度保持率均最高，表现出最佳的抗热震性能。
氧化镁 氧化锆 断裂韧性 热导率 热膨胀系数 抗热震性能 magnesium oxide zirconia fracture toughness thermal conductivity coefficient of thermal expansion thermal shock resistance
1 东北大学 材料科学与工程学院, 沈阳 110819
2 北京矿冶科技集团有限公司, 北京 100160
降低热障涂层面层中的低熔点杂质含量, 可提高涂层的高温稳定性和延长服役寿命。SiO2、Al2O3和Fe2O3是氧化钇稳定氧化锆(Yttria-Stabilized Zirconia, YSZ)热障涂层中几种常见的低熔点氧化物杂质, 均会对涂层的性能产生一定的影响。本研究采用大气等离子喷涂法, 制备SiO2、Al2O3和Fe2O3的含量从小于0.01wt%增加至1.00wt%的YSZ热障涂层。采用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)研究了上述涂层的微观结构; 采用激光热导仪测试了涂层的热扩散系数和抗热震次数。研究结果表明, 低熔点氧化物杂质对YSZ涂层的导热性、热处理状态的孔隙率具有明显影响, 且更容易引起涂层的热震失效。当杂质氧化物含量在小于0.2wt%范围内变化时, 涂层的性能变化更为显著。
热障涂层 杂质 YSZ 抗热震性能 导热性 thermal barrier coating impurity YSZ thermal shock resistance thermal conductivity
采用半导体激光熔覆技术与等离子喷涂相结合的方法,在1Cr13不锈钢基体表面制备了CoCrTaAlY/YSZ热障涂层,然后采用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)及X射线衍射仪(XRD)分别对涂层的微观组织、成分分布及物相进行表征。结果表明:YSZ涂层的物相主要由ZrO2的立方晶相(c-ZrO2)、正方晶相(t-ZrO2)及少量单斜相(m-ZrO2)组成;黏结层具有典型的快速熔凝组织特征,与基体实现了冶金结合。对涂层的抗高温氧化机理、热震性能及其失效行为进行研究后发现:Al2O3氧化膜的形成能阻止O元素扩散,使涂层的抗高温氧化性能约为基体的4.1倍(YSZ涂层氧化累积增重仅为0.08 g·cm
-2);YSZ涂层在900 ℃下热震20次后开始出现裂纹,且裂纹随热震次数增加逐渐变大,热震30次时试样完全断裂。
激光技术 激光熔覆 热障涂层 高温氧化 热震性能 显微组织
1 东南大学机械工程学院， 江苏 南京 210018
2 南京航空航天大学机电学院， 江苏 南京 210016
利用高频感应辅助激光熔覆技术在镍基高温合金基体上制备了NiCoCrAl-Y2O3黏结层及Al2O3-13% TiO2(质量分数)陶瓷层。通过扫描电镜、能谱仪、X 射线衍射仪分析了涂层的微观结构。实验结果表明，在高频感应辅助激光的作用下，基体与黏结层、黏结层与陶瓷层之间的界面均展现了良好的结合特性，具有明显的界面扩散现象。陶瓷层在激光的作用下形成了三维网状结构，该结构使得陶瓷材料中的TiO2 材料与Al2O3材料均匀分布，减少了因不同材料聚集所产生的内应力。同时对涂层进行了热震实验，结果证明了利用高频感应辅助激光熔覆技术制备的Al2O3-13% TiO2陶瓷层具有良好的抗热震性能，适合工作于高温环境。
激光技术 激光熔覆 高频感应 微观结构 热震性能
1 铜陵学院机械工程系, 安徽 铜陵 244000
2 南京航空航天大学机电学院, 江苏 南京 210016
为了提高等离子喷涂Al2O3-13%TiO2(质量分数)陶瓷涂层的抗热震性能，采用激光重熔工艺对涂层进行处理，研究了激光重熔对等离子喷涂层热震性能的影响，并探讨了涂层的热震失效机理。结果表明：相对于等离子喷涂试样，激光重熔涂层有较好的抗热震性能。等离子喷涂陶瓷涂层的热震失效形式基本为边角剥落，而激光重熔陶瓷涂层热震失效形式既有边角剥落又有相当数量的中间区域局部剥落。激光重熔对涂层热震性能的影响主要表现为降低涂层的初始抗破坏能力、减缓涂层的裂纹扩展速率以及改变涂层的破坏模式。
激光重熔 等离子喷涂 Al2O3-13%TiO2陶瓷涂层 抗热震性能 失效机理 laser remelting plasma spraying Al2O3-13 %TiO2 ceramic coating thermal shock resistance failure mechanism
