High performance MG-PSZ ceramic materials research & application analyse

氧化镁部分稳定氧化锆陶瓷(Mg-PSZ)具有优异的高温力学性能和抗老化性能，广泛应用于能源环保、冶金化工、 机械电子、发动机及燃气轮机、石油开采等工业领域，也是氧化钇稳定四方多晶氧化锆(Y-TZP)及其他氧化锆陶瓷不可替 代的重要结构陶瓷材料。从相图分析、ZrO2 晶型转变到制备工艺对 Mg-PSZ 展开论述，重点阐述了 Mg-PSZ 的烧结过程 及微观结构特征，同时对国际上知名的先进陶瓷企业的 Mg-PSZ 产品性能及应用进行综述，并介绍了国内 Mg-PSZ 应用发 展状况。

国外 Mg-PSZ 烧结技术研究进展

早在二十世纪八十年代，澳大利亚的联邦科 学与工业研究组织(CSIRO)就研究了冷却过程中 Mg-PSZ 析出体的变化特点。研究人员以氧化镁含 量为 9.7mol%的 Mg-PSZ 为研究对象，烧结温度为 1700 ℃。结果表明，当 Mg-PSZ 经过 1100 ℃进行 热处理时材料中容易产生亚共析分解。当热处理 温度在 1325-1375 ℃之间，Mg-PSZ 中二次沉淀物生长，提高了 Mg-PSZ 材料的力学性能。当 Mg-PSZ 在 1340 ℃下热处理 120 min，材料的强度可以达 到最大值(648 MPa)，图 6 所示为不同热处理工艺 下材料的微观结构[12]。

澳大利亚昆士兰大学通过 合理的热处理制度制备了具有高断裂韧性的 Mg-PSZ。研究发现，当 Mg-PSZ 在 1400 ℃热处理 后材料的断裂韧性仅为 9.0 MPa·m1/2，析出体尺寸 为 0.3 μm。当热处理温度降至 1320 ℃，材料的断 裂韧性达到最大值(12.2 MPa·m 1/2)，且析出体尺寸 没有明显变化[13]。 通过添加TiC颗粒也可以提高Mg-PSZ的力学 性能。当无 TiC 加入时，Mg-PSZ 弯曲强度仅为 390 MPa；当引入 TiC，且含量为 5vol.%时，Mg-PSZ 经热压烧结后(温度 1750 ℃，压力为 36 MPa)，在 1420 ℃氩气气氛下热处理，材料的弯曲强度可以 达到 980 MPa。图 7(a)所示为 TiC 含量为 2.5vol.% 时，Mg-PSZ 在 1420 ℃下热处理 4 h 的微观 形貌[14]。

国内 Mg-PSZ 烧结技术研究进展

自二十世纪九十年代开始，国内以天津大学 等为代表的研究人员对高性能 Mg-PSZ 展开了大 量的研究。蔡舒等人[15, 16]研究了烧成制度及杂质 对 Mg-PSZ 析出体形态和力学性能的影响。结果表 明，掺杂少量的杂质可以在不影响力学性能的前 提下有效地降低材料的烧结温度。材料经过烧结 后慢速冷却至 1100 ℃后，再自然冷却至室温，可 以获得大小合适的析出体，Mg-PSZ 强度和断裂韧 性分别达到 750 MPa 和 12 MPa·m1/2。此外，通过 添加 CeO2 既可以降低材料的烧结温度，又可以促 进高温下 Mg2 在固溶体中的扩散，避免 MgO 在晶 界偏析，利于晶界净化。当 CeO2 添加量为 4mol% 时，试样经 1600 ℃烧结后，其致密度达到最大值。

图 7(b)为 CeO2 含量为 1mol%时，材料经 1650 ℃烧结并在 1400 ℃热处理 4 h 后的微观形 貌。Zhang Qi 等人[17]报道了热处理过程中氧化 钇 对 (Y, Mg)-PSZ/MgAl2O4 的影响。材料在 1600 ℃下保温 4 h 并随炉冷却至室温，之后， 重新加热至 1100 ℃保温 800 h 进行热处理后， 强度最高达到 900 MPa，断裂韧性可以达到 15 MPa·m1/2。

Mg-PSZ 材料特性及应用

德 国 Friatec 公司是当今世界上知名的耐 腐蚀、耐磨损的特种泵制造商。为了提高泵的密 封性，他们采用高温固相反应法制备的 MgO-ZrO2 粉体为原料，制备的黄色 Mg-PSZ 结构陶瓷件可作 为磁力耦合器驱动密封的隔离罩(如图 9 所示)。

美 国 Coorstek 公司提供的具有优异的强度、韧性、 耐磨性和耐腐蚀性的 Mg-PSZ 可广泛适用于阀门 和泵类零件、衬套和耐磨套管、石油和天然气井 下作业工具等领域。 此外，Mg-PSZ 按照材料的相变组成或显微结 构以及性能特点，一般可以分为高强型和抗热震 型两种。

Nilcra 公司生产的高强型 Mg-PSZ 结构陶 瓷具有较高的断裂韧性和耐磨性，可用于制作拉 丝模、钻头和轴承；而抗热震型 Mg-PSZ 可用作 高温阀座。

德国 Ceram Tec 公司制备的高强度 Mg-PSZ 陶瓷成型工具除了具有优异的力学性能 之外，还具有优越的耐磨性、较佳的表面质量以 及良好的断裂韧性，其金属材料成型管及微观形 貌如图 10 所示。 当 Mg-PSZ 陶瓷的线膨胀系数与金属材料相 匹配时，容易实现两者之间的连接。

美国 Cumins 公司已成功将其作为缸套上圈、缸盖底板、气门 座和气门导管等[22]。德国杜塞拉姆工程陶瓷有限 公司制备的 Mg-PSZ 拉丝瓷件主要用于高品质电 线的生产。此外，还为精密流体系统提供陶瓷件，例如高速柱塞泵、陶瓷阀等。

德国巴瑞特陶瓷公 司通过共沉淀法及高温固相反应法制备两种不同 规格的粉体，产品型号分别为 ZMK3.0 及 ZMK3.5。 其中，以 ZMK3.0 粉体为原料制备的白色耐磨损 Mg-PSZ 结构陶瓷具有优异的力学性能，并成功将 其应用于高机械负荷陶瓷零部件(例如塔轮)。如图 11 所示为白色的 Mg-PSZ 塔轮及其微观形貌。

德国 Felix Vuckovic 公司可批量生产具有优异 性能的 Mg-PSZ 材料的喷嘴及拉伸成型工具。

德国 Rauschert 公司生产具有较高抗磨损性能的 Mg-PSZ 陶瓷导向元件和偏转元件、泵组件、阀门 组件、流量组件等。

美国 Zircoa 公司以高温固相 反应法制备的 MgO-ZrO2 粉为原料，制备了黄色 Mg-PSZ 结构陶瓷件，例如锆环、柱塞、球阀等。 图 12 为部分 Mg-PSZ 结构陶瓷件。 就国内而言，Mg-PSZ 陶瓷材料生产企业相对 较少，近几年呈上升发展趋势。涉及的 Mg-PSZ 产品主要包括塔轮、定位销、筛网、柱塞、坩埚 等陶瓷结构件。Mg-PSZ 陶瓷坩埚除了具有良好的 力学性能之外，还具有优异的化学稳定性，除硫 酸和氢氟酸外，对其它酸碱及碱熔体、玻璃熔体 和熔融金属均具有良好的耐腐蚀性，甚至可以抵 抗熔融金属钛的侵蚀。利用高温固相反应法制备 的黄色 Mg-PSZ 具有良好的抗热冲击性能，并被广 泛应用于纺织陶瓷、造纸底网陶瓷块、高温蒸汽阀、拔丝模具、导线轮、石油开采管道、热电偶 保护管等领域(如 13 (a)图所示为部分 Mg-PSZ 结构件)。

广东夏阳精细陶瓷科技有限公司以高温固 相反应法制备的 MgO-ZrO2 粉为原料，制备的黄色Mg-PSZ 体积密度和强度分别可以达到 5.62 g/cm3 和 450 MPa，产品主要用于金属管材的成型、拉伸、 弯曲等生产工艺中(如图 13(b)所示)。 在高温耐火材料领域，以高纯氧化锆为原料、 氧化镁为稳定剂合成的电熔 MgO-ZrO2 粉体为原 料，制备氧化锆质研磨体、定径水口、滑动水口、 电子承烧板等。图 14 所示为以镁锆粉为原料制备 的滑动水口及坩埚。

综上所述，Mg-PSZ 具有优异耐磨耐热耐蚀和 抗老化性能，特别是在水蒸汽存在的高温环境下， 仍然可以保持良好的力学性能。正是由于这一特 性，Mg-PSZ 已广泛应用于机械、化工、冶金、环 保、纺织、造纸、石油等工业领域。然而，与 Y-TZP 相比较，Mg-PSZ 常温力学性能偏低，这在一定程 度上限制了这一材料的应用。如何进一步提高 Mg-PSZ 抗弯强度对于拓展其应用领域至关重要。

此外，虽然国内关于 Mg-PSZ 材料微观结构的调控 以及力学性能的提高已有一些报道，Mg-PSZ 陶瓷 材料的热处理温度及相关机理也已大致清楚，但 是，对于高强度、高韧性的 Mg-PSZ 材料的研究与制备仍然不够成熟，主要表现为在原子尺度上研 究其稳定剂的稳定行为、掌握相变行为机理以及 其对显微组织结构和力学性能的影响、晶界的结 构与性质对材料的物理性能及化学性能的影响等 报道较少。

而国外的国际化陶瓷企业在 Mg-PSZ 材料的制备工艺及性能上仍保持领先。因此，如 何提升国内技术工艺水平，制备高性能 Mg-PSZ 结构陶瓷件在我国工业和工程领域依然具有重要 意义。

文章来源：中国知网《高性能 Mg-PSZ 陶瓷材料的研究与应用进展》作者：郎杰夫 谢志鹏 罗旭东 游杰刚