Sialon/Si2N2O陶瓷辊棒SPS烧结和超塑性成形热-电-力耦合

　　随着放电等离子烧结工艺及装备制造技术的不断发展，关于放电等离子烧结机理的研究已经成为粉末冶金领域的重要基础理论课题之一。本文通过放电等离子烧结试验制备了Sialon/Si2N2O陶瓷辊棒，并采用放电超塑性成形工艺锻造出了Sialon/Si2N2O陶瓷辊棒齿轮，得到了试验过程的温度、电流、电压、位移等的变化曲线，以此为依据，采用MARC软件对Sialon/Si2N2O陶瓷辊棒的SPS烧结过程和齿轮SPS超塑性锻造过程进行了有限元模拟，得到了烧结过程中坯料的温度、相对密度、等效应力等的分布规律。采用放电等离子烧结工艺，分别在1150℃保温7min、1240℃保温7min和1300℃保温3min的条件下烧结制备了Sialon/Si2N2O陶瓷辊棒圆柱试样。依据试验得到的数据，在确定当量辐射系数变化曲线的基础上，采用MARC软件对烧结过程进行了模拟，得到了保温初始阶段和保温结束阶段粉末的温度、相对密度、等效应力等的分布规律。在保温初始阶段温度到达烧结所需温度时，此时温度分布差较大，粉末相对密度较小。在保温结束时，由于经过一段时间的保温，粉末温度分布均匀，温度差较小，粉末接近致密；烧结材料心部温度最高且最致密；SPS烧结升温速度越快，烧结电流越大，粉末的温度、相对密度、应力分布越不均匀；Sialon/Si2N2O陶瓷辊棒烧结时等效应力小于10MPa。

　　依据在1200℃条件下Sialon/Si2N2O陶瓷辊棒齿轮超塑性锻造成形试验所得数据，对这一过程进行了仿真模拟。由于Sialon/Si2N2O陶瓷辊棒材料的超低温超塑性，所以变形流动性好，整个齿顶表面的径向流动速度差距较小；齿轮温度分布规律与圆柱形试样烧结一致；齿轮中心部分相对密度较大，轮齿表面相对密度最小；最大的等效应力发生在齿根圆与齿形的交汇位置，该位置是材料变形过程中材料流入轮齿型腔的初始位置，轮齿的上下表面以及齿侧与模腔接触区域的等效应力也较大。采用大气等离子喷涂陶瓷辊棒团聚体粉末(ZrO2-8%Y2O3)制备陶瓷辊棒热障涂层(NiCrAlY+ZrO2-8%Y2O3)。与传统微米级陶瓷热障涂层相比较，系统地研究了陶瓷辊棒热障涂层的微观组织结构与性能(结合强度、隔热性能、抗热冲击性能、抗高温氧化性能和高温稳定性)特点和主要等离子喷涂参数(喷涂电流、喷涂距离、送粉率和次气流量)对陶瓷辊棒热障涂层组织、性能的影响规律，并通过正交设计实验方法获得了最佳等离子喷涂参数。研究表明，等离子喷涂过程中，与常规微米级陶瓷粉末相比，陶瓷辊棒团聚体粉颗粒的熔化特点不同。

　　团聚体颗粒表面熔化，形成粗大柱状晶组织(大于100nm)，其内部存在未熔化部分，仍然保持纳米结构。由陶瓷辊棒团聚体粉末等离子喷涂制备的陶瓷辊棒涂层，与传统陶瓷涂层相比，其表面更加平整、致密，孔隙和微裂纹更细小。涂层主要由熔化区和部分熔化区构成，前者来源于喷涂粉末颗粒表面的熔化部分，形成具有非纳米结构的涂层组织;后者是喷涂粉末颗粒熔化部分和未熔化部分的混合，形成具有纳米结构的涂层组织。在本文的工艺条件下，与传统陶瓷热障涂层相比，陶瓷辊棒热障涂层具有更好的结合强度、隔热性能、抗热冲击性能，并且涂层有较好的高温稳定性。本文在研究单因素等离子喷涂参数:喷涂电流、喷涂距离、送粉率和次气流量对陶瓷辊棒热障涂层微观组织和性能影响规律的基础上，通过正交设计实验方法获得了最佳等离子喷涂参数。研究结果表明，采用陶瓷辊棒团聚体粉末等离子喷涂制备纳米结构热障涂层替代传统微米级热障涂层，可提高热障涂层的性能和使用寿命，具有重要理论和实际意义。

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