17mol%鈣安定氧化鋯與鈦金屬高溫擴散界面反應

Abstract

以熱壓法製備17mol%CaO-83mol%ZrO2陶瓷試片，與鈦金屬在1atm 氬(Ar)氣氛下，進行不同反應溫度與不同反應時間之高溫擴散反應，探討在各種溫度時間參數下，陶瓷材料與鈦金屬高溫擴散界面反應之影響。本實驗利用X光繞射儀(x-ray diffraction,XRD)、掃描式電子顯微鏡(SEM/EDS)，進行擴散反應後界面之微觀分析。

17C/83Z陶瓷試片與鈦金屬經1550℃固態擴散反應後，在鈦側處會產生Ti2ZrO相，而在1550℃/0.5hr固態擴散系統中，由於反應時間較短，Zr原子大多固溶在β΄-Ti中，剩餘之Zr原子固溶量不足以形成過飽和α-Ti，因此反應層II遠離原始界面的樹枝狀α-Ti中沒有Ti2ZrO相析出。另外，熔融擴散反應則沒有Ti2ZrO相產生，因為在高溫時陶瓷側生成大量的CaZrO3和β΄-Ti二相區，CaZrO3阻擋了Zr和O的擴散而β΄-Ti則固溶了大量的Zr和O，使得Zr原子擴散至Ti側的量較少，因此沒有Ti2ZrO相析出。

固態擴散反應氧化鋯側靠近原始界面處會產生一層diffusion zone，Ti擴散至陶瓷側固溶Zr和O形成β΄-Ti，CaZrO3相則沿著Zr和O擴散出去的路徑而生成。熔融擴散反應沒有diffusion zone產生，高溫時熔融Ti進入陶瓷側反應層III，侵蝕氧化鋯基材，形成β΄-Ti，CaZrO3相以圓球狀生成；反應層IV高溫時因大量缺氧，產生大量α-Zr，並且發現有塊狀及蟲狀之CaZrO3相在α-Zr中析出。

17mol%CaO-83mol%ZrO2含有較多的氧空孔，與鈦金屬反應後，較不容易產生氧化還原反應。固態擴散反應陶瓷側以及熔融擴散反應遠離原始界面之陶瓷側皆為stable c-ZrO2-x，α-Zr的形成是由原始陶瓷晶界處之CaZr4O9相分解而來，因此形貌較為細小且數量少；而熔融擴散反應靠近反應層之陶瓷為metastable c-ZrO2-x，α-Zr的析出是因為氧化鋯大量缺氧而產生，因此形貌為片狀且數量較多。