Milline on haruldaste muldmetallide oksiidide mõju keraamilistele katetele?

Kolme peamise tahke materjalina on loetletud keraamika, metallmaterjalid ja polümeermaterjalid. Keraamikal on palju suurepäraseid omadusi, näiteks kõrge temperatuurikindlus, korrosioonikindlus, kulumiskindlus jne, kuna keraamika aatomsideme režiim on ioonside, kovalentne side või segatud ioon-kovalentne side suure sidemeenergiaga. Keraamiline kate võib muuta aluspinna välimust, struktuuri ja jõudlust. Katte-aluspinna komposiit on oma uute omaduste tõttu eelistatud. See suudab orgaaniliselt ühendada aluspinna algsed omadused keraamiliste materjalide kõrge temperatuurikindluse, kõrge kulumiskindluse ja kõrge korrosioonikindlusega ning anda täieliku mängu kahe materjalitüübi laiaulatuslike eeliste osas, mistõttu seda kasutatakse laialdaselt lennunduses, lennunduses, riigikaitses, keemiatööstuses ja teistes tööstusharudes.

Haruldasi muldmetalle nimetatakse uute materjalide "aardekambriks" tänu oma ainulaadsele 4f elektronstruktuurile ning füüsikalistele ja keemilistele omadustele. Puhtaid haruldasi muldmetalle kasutatakse aga uurimistöös harva ja enamasti kasutatakse haruldaste muldmetallide ühendeid. Kõige levinumad ühendid on CeO2, La2O3, Y2O3, LaF3, CeF, CeS ja haruldaste muldmetallide ferrosilikoon. Need haruldaste muldmetallide ühendid võivad parandada keraamiliste materjalide ja keraamiliste katete struktuuri ja omadusi.

Haruldaste muldmetallide oksiidide kasutamine keraamilistes materjalides

Haruldaste muldmetallide lisamine stabilisaatorite ja paagutamise abiainetena erinevatele keraamikatele võib vähendada paagutamistemperatuuri, parandada mõnede struktuurkeraamika tugevust ja sitkust ning seega vähendada tootmiskulusid. Samal ajal mängivad haruldased muldmetallid väga olulist rolli ka pooljuhtgaasiandurites, mikrolainekeskkondades, piesoelektrilistes keraamikates ja muudes funktsionaalsetes keraamikates. Uuring näitas, et kahe või enama haruldaste muldmetallide oksiidi lisamine alumiiniumoksiidkeraamikale koos on parem kui ühe haruldaste muldmetallide oksiidi lisamine alumiiniumoksiidkeraamikale. Pärast optimeerimistesti on parim efekt Y2O3 + CeO2-l. Kui 0,2%Y2O3 + 0,2%CeO2 lisatakse temperatuuril 1490 ℃, võib paagutatud proovide suhteline tihedus ulatuda 96,2%-ni, mis ületab mis tahes haruldaste muldmetallide oksiidiga Y2O3 või CeO2 proovide tihedust.

La2O3+Y2O3 ja Sm2O3+La2O3 mõju paakumisele on parem kui ainult La2O3 lisamisel ning kulumiskindlus on märgatavalt paranenud. See näitab ka, et kahe haruldaste muldmetallide oksiidi segamine ei ole lihtne lisamine, vaid nende vahel toimub vastastikmõju, mis on alumiiniumoksiidkeraamika paakumisele ja jõudluse parandamisele kasulikum, kuid põhimõtet tuleb veel uurida.

Lisaks on leitud, et haruldaste muldmetallide oksiidide lisamine paagutamise abiainetena võib parandada materjalide migratsiooni, soodustada MgO-keraamika paagutamist ja suurendada tihedust. Kui aga segatud metallioksiidi sisaldus on üle 15%, siis suhteline tihedus väheneb ja avatud poorsus suureneb.

Teiseks, haruldaste muldmetallide oksiidide mõju keraamiliste katete omadustele

Olemasolevad uuringud näitavad, et haruldased muldmetallid võivad täpsustada tera suurust, suurendada tihedust, parandada mikrostruktuuri ja puhastada liidest. Neil on ainulaadne roll keraamiliste katete tugevuse, sitkuse, kõvaduse, kulumiskindluse ja korrosioonikindluse parandamisel, mis parandab teatud määral keraamiliste katete toimivust ja laiendab keraamiliste katete kasutusala.

1

Keraamiliste katete mehaaniliste omaduste parandamine haruldaste muldmetallide oksiidide abil

Haruldaste muldmetallide oksiidid võivad oluliselt parandada keraamiliste katete kõvadust, paindetugevust ja tõmbetugevust. Eksperimentaalsed tulemused näitavad, et katte tõmbetugevust saab tõhusalt parandada, kasutades Lao_2 lisandina Al2O3 + 3% TiO_2 materjalis, ja tõmbetugevus võib ulatuda 27,36 MPa-ni, kui Lao_2 kogus on 6,0%. Kui Cr2O3 materjalile lisatakse CeO2 massifraktsiooniga 3,0% ja 6,0%, on katte tõmbetugevus vahemikus 18–25 MPa, mis on suurem kui algne 12–16 MPa. Kui CeO2 sisaldus on aga 9,0%, väheneb tõmbetugevus 12–15 MPa-ni.

2

Keraamilise katte termilise löögikindluse parandamine haruldaste muldmetallidega

Termilise löögikindluse katse on oluline test, mis kvalitatiivselt kajastab katte ja aluspinna vahelise nakketugevuse ning katte ja aluspinna vahelise soojuspaisumisteguri vastavuse. See peegeldab otseselt katte võimet koorumisele vastu pidada temperatuuri vaheldumisi muutudes kasutamise ajal, samuti katte võimet taluda mehaanilist löögiväsimust ja nakkuvust aluspinnaga küljelt. Seetõttu on see ka keraamilise katte kvaliteedi hindamise võtmetegur.

Uuring näitab, et 3,0% CeO2 lisamine võib vähendada katte poorsust ja pooride suurust ning vähendada pingekontsentratsiooni pooride servas, parandades seeläbi Cr2O3 katte termilist löögikindlust. Al2O3 keraamilise katte poorsus aga vähenes ning katte nakketugevus ja termilise löögi vastupidavus suurenesid pärast LaO2 lisamist märkimisväärselt. Kui LaO2 lisamise kogus on 6% (massifraktsioon), on katte termiline löögikindlus parim ja termilise löögi vastupidavus võib ulatuda 218-kordseni, samas kui LaO2-ta katte termilise löögi vastupidavus on vaid 163-kordne.

3

Haruldaste muldmetallide oksiidid mõjutavad katete kulumiskindlust

Keraamiliste katete kulumiskindluse parandamiseks kasutatavad haruldaste muldmetallide oksiidid on enamasti CeO2 ja La2O3. Nende kuusnurkne kihiline struktuur suudab hästi määrida ja säilitada kõrgel temperatuuril stabiilseid keemilisi omadusi, mis aitab tõhusalt parandada kulumiskindlust ja vähendada hõõrdetegurit.

Uuring näitab, et õige CeO2 kogusega katte hõõrdetegur on väike ja stabiilne. On teatatud, et La2O3 lisamine plasmapihustatud niklipõhisele kermetkattele võib oluliselt vähendada katte hõõrdekulumist ja hõõrdetegurit ning hõõrdetegur on stabiilne ja vähese kõikumisega. Haruldaste muldmetallideta kattekihi kulumispinnal on märgatav adhesioon, haprus ja koorumine. Haruldasi muldmetalle sisaldaval kattel on aga kulunud pinnal nõrk adhesioon ja suurtest hapratest koorumistest pole märke. Haruldaste muldmetallidega legeeritud katte mikrostruktuur on tihedam ja kompaktsem ning poorid on väiksemad, mis vähendab mikroskoopiliste osakeste poolt kantavat keskmist hõõrdejõudu ning vähendab hõõrdumist ja kulumist. Haruldaste muldmetallide legeerimine võib suurendada ka kermetite kristallitasandi kaugust. See viib kahe kristallipinna vahelise vastastikmõju jõu muutumiseni ja vähendab hõõrdetegurit.

Kokkuvõte:

Kuigi haruldaste muldmetallide oksiidid on teinud suuri edusamme keraamiliste materjalide ja katete kasutamisel, mis võivad tõhusalt parandada keraamiliste materjalide ja katete mikrostruktuuri ja mehaanilisi omadusi, on siiski palju teadmata omadusi, eriti hõõrdumise ja kulumise vähendamisel. Kuidas panna materjalide tugevus ja kulumiskindlus kooskõlla nende määrimisomadustega, on triboloogia valdkonnas oluliseks arutamissuunaks.

Tel: +86-21-20970332E-post：info@shxlchem.com