本發(fā)明涉及一種耐空蝕滲碳ysz-c塊體陶瓷材料，尤其涉及一種具有耐空蝕效果的黑色滲碳ysz-c塊體陶瓷及其制備方法，屬于結(jié)構(gòu)陶瓷及耐空蝕陶瓷材料制備。

背景技術(shù)：

1、材料的服役失效問(wèn)題始終是制約高端制造行業(yè)核心技術(shù)更新?lián)Q代的主要因素。其中，渦輪球閥、水輪機(jī)、泵、螺旋槳等高速過(guò)流部件中的空蝕損壞（或稱氣蝕）危害極大。例如，水力發(fā)電的核心部件水輪機(jī)由于空蝕損傷而造成每年發(fā)電量損失就超過(guò)1280億度；螺旋槳的空蝕極大影響船舶航行的穩(wěn)定性和可靠性；各類化工廠管道中的球閥因空蝕損壞極易出現(xiàn)密封泄漏問(wèn)題，給產(chǎn)品安全生產(chǎn)帶來(lái)極大不確定因素?？瘴g問(wèn)題之所以難解決，主要是因?yàn)樵诳张轁缧纬傻臎_擊波、微射流和瞬間高溫聯(lián)合作用下，傳統(tǒng)材料幾乎無(wú)一例外會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的疲勞剝落甚至是擊穿斷裂損壞。因此，研發(fā)具有優(yōu)良耐空蝕性能的新材料對(duì)各類過(guò)流部件的升級(jí)優(yōu)化具有重要意義。

2、陶瓷材料因其高強(qiáng)度、高硬度、高熔點(diǎn)、耐腐蝕性和化學(xué)穩(wěn)定性，在航空航天、船舶制造、水力發(fā)電、石油化工、生物醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，已成為近年來(lái)抗空蝕材料的研究熱點(diǎn)之一。目前常見用于抗空蝕的陶瓷材料包括氧化鋁、氮化硅、氧化鋯和玻璃云母等。文獻(xiàn)“ceram.?int.,?1994,?20(3):?201-9.”研究了多種陶瓷材料在蒸餾水中的空蝕行為，發(fā)現(xiàn)它們比金屬更耐空蝕。其中，氧化鋯具有相變?cè)鲰g、應(yīng)力微裂紋增韌、鐵彈性增韌等多種增韌機(jī)制，在眾多陶瓷材料中表現(xiàn)出高強(qiáng)度和相對(duì)較好的韌性，被認(rèn)為是最有應(yīng)用前景的抗空蝕陶瓷材料之一。然而，純氧化鋯因在高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中存在相變導(dǎo)致的體積變化，容易開裂，因此很難獲得完整的陶瓷塊體，應(yīng)用受到很大限制。盡管通過(guò)添加氧化釔（y2o3）可以一定程度上穩(wěn)定氧化鋯（zro2）在高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中的相結(jié)構(gòu)提高了成品率，但文獻(xiàn)“wear,?2013,?300(1-2):163–8.”的研究結(jié)果則發(fā)現(xiàn)：氧化釔穩(wěn)定氧化鋯（ysz）陶瓷的力學(xué)性能尤其是韌性依然偏差，其在空化載荷的持續(xù)沖擊下依然容易脆性剝落。因此，如何進(jìn)一步改善ysz的力學(xué)和抗空蝕性能已成為流體機(jī)械和材料領(lǐng)域亟待解決的難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述背景技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明公開一種耐空蝕滲碳ysz-c塊體陶瓷材料及其制備方法，該材料不僅更易燒制，其綜合力學(xué)性能也明顯更高，且改變了與水的接觸角，因此抗空蝕性能相對(duì)傳統(tǒng)ysz材料可提升1~2個(gè)數(shù)量級(jí)，作為防護(hù)材料優(yōu)勢(shì)明顯。

2、本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、一、耐空蝕滲碳ysz-c塊體陶瓷材料制備

4、1.選擇ysz（氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯）粉末作為原料，將其倒入球磨罐中，再向球磨罐中加入質(zhì)量為ysz粉末2~3倍的去離子水或乙醇作為濕磨介質(zhì)，以200~500?r/min條件球磨20~50?h后干燥，進(jìn)而研磨得到粉末。

5、球磨的目的是使粉體和罐中磨球在高速運(yùn)動(dòng)中相互碰撞、摩擦，以達(dá)到粉碎、研磨與分散樣品的作用。

6、干燥是將球磨后所得漿料放入鼓風(fēng)干燥箱中干燥；研磨是將干燥所得粉體置于瑪瑙研缽等研磨器具中，并使用瑪瑙研磨棒等工具將其磨碎。

7、優(yōu)選的，所述ysz粉末的純度≥99%，粒度范圍20nm~200μm。

8、優(yōu)選的，所述ysz粉末中氧化釔的含量為1mol%~10mol%。

9、優(yōu)選的，所述濕磨介質(zhì)為純度99%的去離子水或無(wú)水乙醇。

10、2.得到的目標(biāo)粉體壓制成生坯，將得到的目標(biāo)生坯按石墨墊塊-石墨紙-目標(biāo)生坯-石墨紙-目標(biāo)生坯-石墨紙的順序依次裝入石墨模具中進(jìn)行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)完成后冷卻得到目標(biāo)產(chǎn)物滲碳ysz-c塊體陶瓷材料；熱壓燒結(jié)過(guò)程中抽真空，真空度≤10-1pa，燒結(jié)壓力為10~30?mpa，燒結(jié)溫度為1200~1650?℃。

11、優(yōu)選的，所述石墨紙和石墨墊塊中的碳含量≥99%。

12、優(yōu)選的熱壓燒結(jié)過(guò)程及工藝參數(shù)具體如下：

13、1）升溫過(guò)程：樣品在爐內(nèi)以10~15℃/min的速度迅速升溫至800~1100?℃，并承受10~15?mpa的燒結(jié)壓力；

14、2）升溫?zé)Y(jié)過(guò)程：樣品在爐內(nèi)以5~15℃/min的速度升溫至1200~1450℃，并承受20~25mpa的燒結(jié)壓力，該過(guò)程共計(jì)20~50min，之后以1~5℃/min的速度升溫至1450~1650℃并承受25~30mpa的燒結(jié)壓力，該過(guò)程持續(xù)90~120min；

15、3）自控降溫過(guò)程：以5~10℃/min的速度降溫至1100~1400℃，并改用10~15?mpa的燒結(jié)壓力保持15~30min后，改為10mpa的燒結(jié)壓力繼續(xù)保持20~50min，冷卻至室溫后即可得到黑色的抗空蝕ysz-c塊體陶瓷材料。

16、本發(fā)明的合成機(jī)理：選擇氧化釔穩(wěn)定氧化鋯（ysz）粉末作為原料，其中氧化釔的摻雜含量為1mol%~10mol%，因?yàn)閥3+和zr4+離子周圍分布的氧原子數(shù)量不同，在y3+摻雜替換金屬zr4+晶格位置后，在ysz中就會(huì)形成大量的氧空位。因?yàn)樘荚拥陌霃綖?.077nm，與氧原子的半徑0.074nm極為接近，因此在本發(fā)明使用真空熱壓燒結(jié)技術(shù)并采用石墨磨具、石墨墊塊和石墨紙為其提供的無(wú)氧且充足碳氛圍下，就為碳元素通過(guò)氧空位滲入ysz中創(chuàng)造了有利條件。更為重要的是，本發(fā)明采用了1450~1650℃的超高溫?zé)Y(jié)溫度，為碳原子提供了足夠高的遷移勢(shì)能，利于其克服遷移能壘，可以實(shí)現(xiàn)在ysz塊體中的均勻滲透。均勻分布的異質(zhì)碳原子不僅能夠阻止ysz晶粒過(guò)度生長(zhǎng)，還能降低殘余應(yīng)力和脆性，極大地提高了塊體材料的燒制成功率。此外，本發(fā)明優(yōu)選的研磨和燒結(jié)工藝同樣對(duì)制備出結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)異的滲碳ysz-c塊體陶瓷有很大的作用：球磨達(dá)不到預(yù)定轉(zhuǎn)速和時(shí)間，會(huì)導(dǎo)致粉體破碎不充分，以至后期燒結(jié)的樣品晶粒生長(zhǎng)不均影響其性能；燒結(jié)溫度過(guò)低，將導(dǎo)致陶瓷塊體燒結(jié)不致密，滲碳層淺、量少且不均勻；保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，晶粒生長(zhǎng)較大，會(huì)導(dǎo)致其性能較差。

17、二、耐空蝕滲碳ysz-c陶瓷塊體材料的表征與性能

18、1、結(jié)構(gòu)表征

19、圖2為本發(fā)明合成的ysz-c塊體陶瓷和常規(guī)ysz塊體陶瓷，可以看出ysz-c是一種典型的黑色塊體材料，與常規(guī)ysz陶瓷通常為白色截然不同。

20、圖3為本發(fā)明制備的ysz-c陶瓷材料的raman光譜圖，圖中存在明顯碳的峰，即位置大概在1360cm-1左右的d峰以及位置大概在1570cm-1左右的g峰，表明通過(guò)本發(fā)明提供的方法，確實(shí)可以使碳以單質(zhì)的形式滲入ysz中。

21、圖4為本發(fā)明合成的ysz-c的熱刻蝕表面sem圖，圖5為ysz-c的eds能譜元素統(tǒng)計(jì)圖，圖6為ysz-c內(nèi)部的tem?形貌和相應(yīng)的元素面分布圖譜。從這些數(shù)據(jù)中不難看出：本發(fā)明制備的ysz-c材料中碳原子的分布極為均勻，整塊材料中均有大量碳的存在，其重百分比為13.33%，再次說(shuō)明碳原子已經(jīng)通過(guò)氧空位高效滲入ysz中；另外，ysz-c陶瓷晶粒尺寸較為均勻，最大粒徑不足3μm，說(shuō)明滲入的異質(zhì)c原子對(duì)晶粒生長(zhǎng)有較好的抑制作用，這對(duì)于改善陶瓷材料的力學(xué)性能和抗空蝕性能都是有利的。

22、2、性能評(píng)價(jià)

23、2.1力學(xué)性能

24、1）采用維式顯微硬度計(jì)測(cè)試ysz-c與常規(guī)ysz陶瓷材料的硬度。測(cè)試條件為：載荷300g，加載持續(xù)時(shí)間5s。結(jié)果顯示ysz-c的顯微硬度為1487.50±29.72?hv300g，高于ysz的1395.70±8.89?hv300g。

25、2）采用納米壓痕儀測(cè)試ysz-c與ysz陶瓷材料的納米硬度和彈性模量。測(cè)試條件為：隨機(jī)選取5個(gè)測(cè)試點(diǎn)，載荷10mn，加載持續(xù)時(shí)間10?s。結(jié)果顯示ysz-c的hit和h3/e*2分別為14.56?gpa和0.111，同樣明顯高于ysz的3.15gpa和0.003，表明本發(fā)明ysz-c陶瓷具有比傳統(tǒng)ysz明顯更高的硬度和韌性。

26、ysz-c新型陶瓷的韌性改善還體現(xiàn)在其維氏壓痕的形貌上，如圖7所示，和ysz壓痕棱角處有明顯裂紋不同，ysz-c壓痕周圍觀察不到裂紋的形成，再次證明滲碳可以顯著提高陶瓷材料抵抗疲勞開裂的能力。

27、2.2?親疏水性

28、使用了dsa100型號(hào)接觸角測(cè)量?jī)x（德國(guó)kruss公司）測(cè)量了ysz-c與ysz陶瓷塊體的水接觸角，每次測(cè)試使用5μl水滴，每個(gè)試樣重復(fù)測(cè)量3次取平均值。結(jié)果顯示ysz-c的水接觸角為70.31°，明顯高于ysz的62°，說(shuō)明本發(fā)明的陶瓷表面更加疏水，這主要是因?yàn)樘嫉倪M(jìn)入降低了ysz-c的表面能。疏水親氣的表面可以更好地阻止空泡在其周圍形成和潰滅，而且材料表面吸附的氣膜還能有效緩解空泡潰滅產(chǎn)生的沖擊波和微射流對(duì)陶瓷表面的沖擊作用，因此對(duì)于提高材料的抗空蝕性是非常有利的。

29、2.3?空蝕性能

30、使用超聲波空蝕機(jī)在去離子水中進(jìn)行空蝕性能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)前，將拋光后的樣品固定在超聲波尖端下方的樣品臺(tái)上，樣品臺(tái)距離液面12±4mm，上試樣采用直徑為15.9?mm的不銹鋼，與待測(cè)樣品同軸安裝，兩者之間的距離約為0.5±0.01?mm，水浴循環(huán)系統(tǒng)將去離子水的溫度保持在25±2?℃范圍內(nèi)，振動(dòng)頻率20?khz，振幅為50?μm（峰-峰）。實(shí)驗(yàn)前后分別將樣品置于乙醇溶液中超聲清洗3?min，然后使用精度為0.1?mg的分析天平測(cè)量并記錄樣品的質(zhì)量損失。

31、結(jié)果顯示本發(fā)明制備的ysz-c陶瓷材料的空蝕孕育期長(zhǎng)達(dá)9?h，而空蝕10?h后的累積質(zhì)量損失僅為0.1?mg，相較傳統(tǒng)氧化鋯陶瓷“ceram.?int.,?1994,?20(3):?201-9.”和對(duì)比例3制備的ysz陶瓷下降了1~2個(gè)數(shù)量級(jí)，表現(xiàn)出了極高的抗空蝕能力。

32、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

33、本發(fā)明利用ysz材料中存在的氧空位與碳元素的尺寸接近的特點(diǎn)，通過(guò)使用石墨磨具、石墨墊塊和石墨紙并通過(guò)抽真空，在熱壓爐中形成了一種“無(wú)氧富碳”的氣氛環(huán)境，然后加熱至足夠高的溫度，使碳原子獲得足夠多的遷移能，從而順利克服能壘，均勻地滲入ysz表面及內(nèi)部的所有晶粒及界面處，獲得了顏色均一的黑色ysz-c陶瓷塊體材料。這種合成方法之前從沒(méi)有人報(bào)道過(guò)，完全是發(fā)明人根據(jù)科學(xué)原理新設(shè)計(jì)出來(lái)的，而且本發(fā)明所采用的ysz粉末、石墨紙等材料簡(jiǎn)單常見，市場(chǎng)上均有銷售，易于獲取且價(jià)格便宜，所使用的真空熱壓爐同樣為制備陶瓷塊體材料常用設(shè)備。更為關(guān)鍵的是，本發(fā)明所制備的黑色ysz-c陶瓷材料的硬度、韌性相比ysz均有大幅提升，且更加疏水親氣，所以在空蝕環(huán)境下能夠更好地抵抗空泡潰滅所產(chǎn)生的機(jī)械沖擊，疲勞剝落極其輕微，耐空蝕性能卓越。因此，本發(fā)明制備的ysz-c陶瓷材料有望在流體機(jī)械領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。