高温结构陶瓷的表面强化工艺及其强韧化机理研究

发布时间：2017-11-13 20:09

  本文关键词：高温结构陶瓷的表面强化工艺及其强韧化机理研究

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【摘要】：高温结构陶瓷因具备高温强度高、硬度高、耐腐蚀等优异性能,在航空航天、机械、化工等领域都有广泛的应用。但陶瓷材料的脆性大,对表面裂纹十分敏感,导致其使用可靠性和抗破坏性较差,从而制约了高温结构陶瓷的广泛应用。本论文针对高温结构陶瓷的本征脆性和抗冲击性能差这一瓶颈问题,通过借鉴生物复合材料自愈合现象来改变和优化高温陶瓷的表面微结构,提出喷丸-裂纹自愈合改性设计来实现高温结构陶瓷的表面强韧化,开辟一条提高脆性材料强韧性的有效途径。本论文主要通过研究高温结构陶瓷表面喷丸工艺优化,建立喷丸工艺参数对材料力学性能的影响规律,为高温结构陶瓷材料的表面强化工艺提供分析依据；另外,针对多孔TiB2-SiC陶瓷和致密ZrB2-SiC复合陶瓷两类结构陶瓷,研究了不同表面强韧化工艺与力学性能之间的定量关系,并研究其强韧化机理。这些工作可以为高温结构陶瓷的强韧化设计、性能优化、合理使用以及寿命评估等提供精确指导。主要研究内容如下：1.利用有限元软件ABAQUS建立了喷丸过程模型,调节喷丸工艺中不同参数并分析其对试样残余应力场的影响,结果表明喷丸处理在陶瓷试样内部产生了残余应力场,可以有效提高陶瓷试样强度。2.为了探究表面裂纹自愈合增韧方法对于多孔结构陶瓷的适用性,研究多孔TiB2-SiC陶瓷试样的表面强韧化。将试样放置在800℃-1400℃的环境中预氧化处理,保温时间从5min-360min不等。观察处理前后的微观结构,并测试氧化前后陶瓷试样的弯曲强度,研究了预氧化温度和时间等工艺参数对多孔TiB2-SiC陶瓷力学性能的影响和增韧机理。3.以致密ZrB2-SiC复合陶瓷材料为研究对象,首次提出了预氧化+喷丸+裂纹愈合的复合增韧方法来提高材料的可靠性。为了检验该方法的有效性,我们研究了不同喷丸压力下试样的力学性质,并与喷丸+裂纹愈合试样作对比,发现该新方法可以有效地提高陶瓷材料的弯曲强度,实现陶瓷材料增韧。本论文工作属于前沿性的基础研究,其研究成果将进一步丰富和发展高温结构陶瓷材料强韧化的科学理论,同时为高温结构陶瓷材料在国家高新技术领域装备的关键热端部件上的使用提供理论基础和技术储备。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ174.6

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本文编号：1182204