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泰宏精密陶芯陶瓷加工中的陶瓷材料超塑性加工

塑性是指材料在外力作用下产生永久变形的能力,而超塑性是指材料在特定条件下,呈现出异常低的变形抗力和异常高的流变能力。

 不同材料具有不同的塑性变形能力,例如我们小时候玩的泥巴,小孩只需要用很小的力,就能随心所欲改变泥巴的形状,而装饮料的塑料瓶,要改变其形状却没那么容易,于是我们认为,泥巴的塑性比塑料瓶更好。在材料加工过程中,我们理所当然地希望材料的塑性能够尽量地好,这样我们易于获得各种复杂形状的材料。金属材料一般都具有良好的塑性,因此可以采用诸如锻造、冲压等塑性加工方法实现材料的成形。

 塑性加工方法可以实现金属的异形件生产,作为脆性材料的陶瓷若能实现塑性加工,那么可以方便制造出各种复杂形状的零件,在实现近净成形的同时提高力学性能

 【泰宏精密陶瓷】陶瓷材料在传统意义上被认为是和砖、岩石等建筑材料一样的脆性材料,其塑性变形的能力很差,但是由于陶瓷热稳定性好、硬度高、耐磨耐腐蚀等特性,人们一直试图突破千百年来陶瓷材料自身塑性的限制,希望能够利用陶瓷的超塑性变形特性,使其像金属一样可以采用塑性加工手段制成精密尺寸的陶瓷零件。

 布加迪威龙推动着陶瓷在汽车工业上的应用,其推出了一款大量采用陶瓷材料的豪车,售价高达4500万元。陶瓷材制相对于传统的金属材料,显然更轻,这样必然实现了汽车轻量化。对于这种豪车级别的买主,车身轻量化显然不是为了节能减排,而是在追求华丽外表的同时,突破速度的极限。据悉,该款布加迪威龙百公里的加速度只有2.5秒。不过,陶瓷材料势必带来汽车安全性的隐患。塑性差的陶瓷车身简直就是高速奔跑着的“瓷娃娃”,断然经不起剧烈的碰撞,因此,我们更应该用艺术品的眼光去看待这辆飞奔的陶瓷车。

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 当然,陶瓷车身以目前的技术,想要有更多应用空间,仍是镜花水月。但是,以氧化钇稳定的氧化锆材料(Y-TZP) 为代表,超塑性陶瓷表现出了巨大的发展潜力和广阔的应用前景。

 【泰宏精密陶瓷】早在60年代,人们曾经利用传统的塑性加工手段,如挤压、锻压等,对陶瓷部件的制备进行尝试,但是,由于需要在很高温度下进行(如热锻氧化铝陶瓷需要在1900℃下进行),这一思路被放弃了。图3展示了陶瓷材料的超塑性冲压,研究人员对氧化锆、氧化铝以及氧化锆/莫来石复合材料进行实验,发现陶瓷材料的塑性要在高温、低速条件下才能实现大的变形。

图3 陶瓷材料的超塑性冲压

直到1985年,日本名古屋国家工业研究所材料工作者Wakai等人采用氧化锆基陶瓷材料(含5wt%SiO2的2.5Y-TZP)制作了最大拉伸形变量高达1038%的陶瓷“拉面”。可以想象,这就好比将一块长度为10厘米的面团拉成长1米的拉面,而且还是使用的是脆性的陶瓷材料,这是多么的神奇!

 【陶瓷工业】自从氧化锆陶瓷的超塑性被发现以来,学者们不断探究其变形机制和根本原因。但是,目前对于陶瓷超塑性的变形机制尚没有统一的认识,大多数模型都认为晶界滑动是超塑性的重要变形机制,但对晶界滑动的协调机制还未能完全阐明。

 大连理工大学材料学院陈国清教授课题组对氧化锆的超塑性变形行为进行研究,认为3Y-TZP陶瓷的超塑性材料变形的主要机制为晶界滑移和扩散蠕变的叠加(伴随扩散的晶界滑动机制)。当晶粒尺寸较小时,前者占主导地位;当晶粒尺寸增大时,后者变得越来越重要。

 图4超塑性压缩前后的氧化锆试样

除了陶瓷变形机理的研究,研究人员还着力于实现陶瓷的超塑性变形。目前,普遍认为,引入晶界玻璃相和细晶化是改善成型性能的两种有效措施。而纳米材料由于晶粒非常细小、晶界所占体积分数很大,很可能会在较低的温度下表现出高应变速率或低应力超塑性,使这类陶瓷材料的超塑性加工成为现实。

 例如,武汉科技大学的傅绿平利用纳米氧化铝超塑性,成功制备了轻量微孔刚玉材料。研究发现,与普通氧化铝微粉相比,纳米氧化铝表现出更好的高温超塑性,其超塑性可使材料闭口气孔率增加,体积密度降低,晶内气孔数量增加。制备出的轻量微孔刚玉材料具有显气孔率较低、闭口气孔率较高、平均孔径较小的优点,在高温工业炉衬耐火材料轻量化中具有广泛前景。

 小结

陶瓷材料由于其共价键性强,高脆性,低的晶界扩散系数等特点,其应用受到很大的限制。陶瓷超塑性的研究克服了传统陶瓷在加工以及应用的一些缺陷,使陶瓷如同金属一样,可以用锻造、挤压、拉伸、弯曲和气压胀形等成形方法直接制成精密尺寸的陶瓷零件,实现了陶瓷的超塑性成形。目前,对于超塑性陶瓷的研究仍处于实验室阶段。要使其实用化,还有很多问题需要解决,如提高应变速率、降低成型温度和成型应力、避免孔穴的形成以及进一步弄清形变机理和扩散过程等。但是,由于超塑性加工方法具有传统加工方法难以比拟的优点,极有希望成为未来陶瓷工业的重要加工方法之一。


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