热处理对氧化锆材料热膨胀系数的影响

薛志岗 王帅 庞佳敏

摘  要：以氧化锆粉料为原料，通过多轮实验。研究了影响氧化锆材料热膨胀系数的因素，总结出相关的结论和规律。研究结果表明：对氧化锆材料进行热处理的时间以及热处理的温度都将影响材料的热膨胀系数。

关健词：热膨胀系数;热处理;时间;温度

1 前言

材料的热膨胀是影响材料抗热震性的主要因素。氧化锆材料的热膨胀与其相变有着密切的关联。ZrO2具有三种晶型：低温的单斜相（m相），中温的四方相（t相），高温的立方相（c相）。三种晶型之间可以相互转变，温度在1170℃左右时，单斜相向四方相转变，并伴有7 ～ 9%的体积收缩，是氧化锆陶瓷高温下产生破坏的主要原因，因此，采用纯单斜相氧化锆材料来制成的陶瓷材料抗热震性能不好。

一些研究表明：在一定条件下，氧化锆材料的t-m相变温度是可以改变的。如果材料中的氧化锆晶体随着温度上升，有部分晶体发生t-m相变，也就是让t-m相变分散到不同的温度发生，就可以提高氧化锆材料的抗热震性能。因为t-m相变分散，可以使相变产生的体积变化分散在材料从低温到高温的整个过程，避免集中在1170℃左右相变时材料剧烈的体积变化和由此产生的热损伤，同时分散相变产生的收缩与材料受热产生的膨胀相抵消，降低了材料受热升温过程的热膨胀，提高了材料的抗热震性能。

改变氧化锆材料的t-m相变温度，通过控制氧化锆陶瓷材料的相组成和改变氧化锆陶瓷材料的晶粒尺寸分布来实现。本项研究通过调整坯料组成和对产品热处理的方法来实现氧化锆材料t-m相变温度的改变，提高氧化锆陶瓷材料的抗热震性。

2 实验原料

2.1 实验原料

2.2 工艺流程

2.3 热处理制度

（1）将烧成好的试样从室温升温至1500℃，约10 h;

（2）1500℃保温，3 ～ 6 h;

（3）降温至1300℃保温，3 ～ 6 h;

（4）降温至1100℃保温，3 ～ 6 h;

（5）降温至室温。

3 结果与讨论

3.1 热处理对热膨胀系数的影响

如图2所示1#为未热处理的试样，2#为热处理的试样。可以发现2#经过热处理的试样热膨胀系数比1#未经过热处理的试样热膨胀系数低。查阅相关文献分析，热处理的主要作用在于让试样中的单斜相相对增多，单斜相向四方相的转变温度为1170℃，并且伴有7 ～ 9%的体积收缩，从而降低高温阶段的体积膨胀，降低膨胀率。

3.2 热处理时间对热膨胀系数的影响

实验结果表明，适当的缩短低温保温的时间将影响试样高温阶段的膨胀率，使得膨胀率能够相对的降低。如图3所示，3#和4#为相同的粗细粉配方，具体热处理制度如上表2所示，依据上图的曲线，可以发现在1100℃以后，3#试样的膨胀率比4#试样的膨胀率高。经分析，由于试样中氧化镁分布不均，部分晶粒中不含氧化镁，部分晶粒中氧化镁含量较多，在1100℃保温时，单斜相是占优势的产物，固溶氧化镁较多的氧化锆晶粒会逐渐释放氧化镁，但是原本不含氧化镁的晶粒会逐渐固溶一部分氧化镁，过长的保温时间，和试样中氧化镁含量偏多，使得固溶氧化镁的晶粒逐渐增多，而尺寸较小的晶粒，四方相能保持到更低的温度，甚至保留至常温。从而在热膨胀系数测试时，3#单斜相较少，引起的体积收缩较少。

实验结果表明，适当的延长高温保温时间可以总体降低试样的热膨胀系数。如图4所示，5#和6#为同样的粗细粉配方，热处理制度如表3。根据上面的曲线可以发现5#曲线膨胀率整体高于6#曲线。分析其原因为5#试样高温处理时间比6#试样时间短，在1500℃时氧化锆中的立方相转化为四方相，而5#时间较短，转化为四方相的晶相也较6#而言少一些，故由此的影响，由四方相转化为单斜相的晶相也相对较少，所以5#曲线膨胀率高于6#曲线。

3.3 热处理温度对热膨胀系数的影响。

实验结果表明，选择适当的热处理温度将影响晶相间的相互转化，相对低的热处理温度能降低析出四方相的晶粒尺寸，和增加四方相的生成量。图5为测试结果，表4为具体热处理制度。可以看出，7#曲线热膨胀系数比8#曲线热膨胀系数高。分析其原因：根据文献上相图可知，1400℃以上为四方相与立方相共存的区域，而1240 ～ 1400℃为四方相为主的区域。7#高温处理温度为1500℃，所以在处理的过程中无论处理时间长短，总会有一定量的立方相存在，致使转化不完全，影响热膨胀系数。而8#热处理方式为1300℃，处于有利于四方相的温区，立方相会逐渐析出氧化镁，转变为四方相，从而在1100℃保温时，能生成的单斜相相对较多，热膨胀系数相对较低。

4 结论

（1）在其他条件不变的情况下，适当的缩短低温保温的時间将影响试样高温阶段的膨胀率，使得膨胀率能够相对的降低。

（2）适当的延长高温保温时间可以降低试样的热膨胀系数。

（3） 选择适当的热处理温度将影响晶相间的相互转化，相对低的热处理温度能增加四方相的含量，降低热膨胀系数。

参考文献

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