碳化硅复合陶瓷密封材料的烧结性能、显微结构与力学性能.docx

引?言

干气密封是以气体动压轴承为基础，通过对机械密封进行根本性改进而发展起来的一种新型非接触式密封。干气密封的极限速度高，密封性能好，寿命长,不需密封油系统，功率消耗少，操作简单并且运行维护费用低，已广泛应用于石油行业。干气密封的端面线速度较高，离心力、介质压力等综合作用产生的应力应变使动静环在受压和运转状态下易发生一定程度的机械变形和热变形，且由于动静环之间的气膜厚度仅有几微米，微小的变形就可能对密封效果和可靠性产生严重影响。因此，干气密封对摩擦副密封材料提出了较高要求。

SiC陶瓷是一种具有高强度、高硬度、耐高温、耐化学腐蚀、耐磨损、抗热震的高性能特种陶瓷材料。然而，当SiC陶瓷密封件之间进行密封摩擦时由于其高硬度特性，干气密封启停时两工作面发生黏合，摩擦因数增大，端面温度升高,导致局部发热引起热震，摩擦副之间抱死黏合,加剧了端面磨损，大大缩短密封件使用寿命,致使密封件提前失效。因此,需要对SiC陶瓷进行改性，研究表明，SiC陶瓷基体中均匀分布的纳米颗粒、晶须、纤维等可以通过裂纹桥联、裂纹偏转、钉扎裂纹、拔出增韧等方式抑制SiC陶瓷内部裂纹的扩展，从而提高其力学性能。?

目前SiC陶瓷的烧结方法主要有反应烧结和无压烧结。其中，反应烧结SiC陶瓷的综合性能较差，无法满足干气密封要求，而无压烧结碳化硅的硬度、显气孔率、抗弯强度、抗压强度等性能优异，是干气密封摩擦副的理想材料。无压烧结又分为固相烧结和液相烧结，液相烧结通过利用能在高温作用下形成共熔液相的多元低共熔氧化物作为烧结助剂，能使陶瓷粉体的传质方式由扩散变为黏质流动,相较于固相烧结可以更大程度地降低陶瓷致密化所需的能量，更符合国家提出的节能减排的倡议。因此，液相烧结SiC陶瓷成为了SiC陶瓷密封材料领域的重要研究方向。?

为此，作者以纳米TiN粉、SiC晶须(SiCw)为增强相，采用液相烧结法制备了碳化硅复合陶瓷，研究了不同烧结温度、不同增强相添加质量分数下复合陶瓷的烧结性能、显微组织和力学性能，揭示了增强相的协同增强机制，以期为液相烧结SiC陶瓷在干气密封中的应用提供参考。

1

?试样制备与试验方法?

试验原料包括微米α-SiC粉(平均粒径为0.5μm,纯度大于99%)、纳米氮化钛粉(Nano-?TiN，平均粒径为20nm，纯度为97%)、微米碳化硅晶须(SiCw?,长径比大于50,纯度为95%)、Al2O3?和?Y2O3?烧结助剂(生成钇铝石榴石YAG),均由国药集团化学试剂有限公司提供,分析纯;分散剂为四甲基氢氧化铵和聚乙二醇(PEG)(平均相对分子质量为2?000)，由上海阿拉丁生化科技股份有限公司提供，分析纯;黏结剂为聚乙烯醇(PVA),由上海阿拉丁生化科技股份有限公司提供，分析纯;埋烧料为石墨(配位聚合物胶体)和Al2O3，由国药集团化学试剂有限公司提供,分析纯。按照增强相(Nano-TiN、SiCw)质量分数分别为0,2.5%，5.0%，10.0%(二者质量比为1∶1)，烧结助剂(Al2O3、Y2O3)质量分数为10%(二者质量比为4.7∶5.3)进行配料，按照图1所示工艺流程烧结制备SiC复合陶瓷。经喷雾造粒得到的造粒粉粒径为20~50μm。在Y11-63T型四柱液压机上先进行双面压制，压力为100MPa，时间为5min，再进行等静压压制，压力为250MPa，时间为5min。将压制成型的素坯埋至埋烧料中以抑制烧结助剂高温挥发，然后装入真空石墨炉中，在氩气(纯度为99.9%)气氛中进行真空无压液相烧结，先以10℃·min-1的升温速率升至1950℃，保温30min，再以相同的速率分别降至不同烧结温度(180,1850,190,1950℃)，保温1h，随炉冷却。

采用阿基米德法测定素坯和烧结体的密度，并计算得到相对密度。采用HitachiS-4800型场发射扫描电子显微镜(SEM)观察陶瓷造粒粉的微观形貌以及经加工、抛光后的烧结陶瓷的表面和自然断裂形成的断口形貌。采用CMT5205型电子万能试验机进行三点弯曲试验，跨距为20mm，下压速度为0.5mm·min-1。采用RigakuD/max-RA型X射线衍射仪分析物相组成，铜靶，靶电压为40kV，工作电流为80mA，扫描范围为10°~80°，扫描速率为4(°)·min-1。采用HV-5型小负荷维氏硬度计测试显微硬度，载荷为98N，保载时间为15s，并采用压痕法测试断裂韧度KIC，计算公式为?

式中:H为材料的硬度，HV;E为材料的弹性模量，MPa;l,a分别为压痕裂纹长度、压痕对角线半长，c=l+a。?

2

试验结果与讨论

2.?1?造粒粉的微观形貌

由图2可见，随着增强相添加量的增加，造粒粉逐渐由圆球形变为椭球形，同时出现了向球心内凹的现象，但整体形状变化不大。这是因