Al2O3-ZrO2-YAG共晶陶瓷的制備及組織特征.pdf

1、氧化物共晶陶瓷具有高強(qiáng)度、耐高溫、耐氧化、高抗蠕變等優(yōu)異性能，是高溫氧化氣氛下長(zhǎng)期工作的優(yōu)選超高溫結(jié)構(gòu)材料，其組織熱穩(wěn)定性好，使用溫度可達(dá)1600～1700℃。現(xiàn)有共晶陶瓷制備技術(shù)中只有布里奇曼法適合制備較大尺寸的共晶陶瓷塊體，但其生長(zhǎng)速度慢，材料微觀組織粗大、強(qiáng)度低;而其它技術(shù)制備的材料通常在毫米級(jí)以下。從工藝制備角度上，溫度梯度、生長(zhǎng)速度和微觀尺寸之間內(nèi)在關(guān)系限制了共晶陶瓷的加工制備。因此，如何同時(shí)實(shí)現(xiàn)較大尺寸樣品的制備和微觀組織控

2、制，是制約共晶陶瓷進(jìn)一步發(fā)展和結(jié)構(gòu)件工程化應(yīng)用的重要瓶頸。
　　本文以Al2O3/ZrO2(YSZ)/YAG共晶陶瓷為研究對(duì)象，采用溫度梯度適中的高溫熔凝工藝（適合制備大塊共晶陶瓷材料），通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)改變?nèi)垠w的凝固路徑和晶體生長(zhǎng)速度，實(shí)現(xiàn)了較大尺寸共晶陶瓷的制備及其凝固組織的優(yōu)化與控制。研究了凝固組織的變化規(guī)律，并運(yùn)用凝固原理中經(jīng)典形核機(jī)制和Jackson-Hunt共晶生長(zhǎng)模型，探討了凝固組織的演變機(jī)理。主要結(jié)果如下:

3、　　通過(guò)提高熔體冷卻速度，制備出組織細(xì)小的Al2O3/ZrO2/YAG共晶陶瓷塊體，微觀組織的特征尺寸細(xì)化到亞微米級(jí)。隨著冷卻速度增加，凝固體中依次出現(xiàn)三種典型的顯微組織，分別為:晶團(tuán)結(jié)構(gòu)、樹(shù)枝晶結(jié)構(gòu)和胞狀結(jié)構(gòu)。建立三元共晶生長(zhǎng)晶數(shù)學(xué)模型，給出Al2O3/ZrO2/YAG共晶凝固過(guò)程中溶質(zhì)過(guò)冷度、曲率過(guò)冷度和動(dòng)力過(guò)冷度與晶體生長(zhǎng)速度的關(guān)系，闡釋了溶質(zhì)擴(kuò)散特征長(zhǎng)度和毛細(xì)作用特征長(zhǎng)度對(duì)固-液界面形貌的影響。
　　通過(guò)調(diào)控熔體溫度或保溫

4、時(shí)間，制備出直徑30 mm的Al2O3/ZrO2/YAG共晶陶瓷塊體，微觀共晶層間距為350nm。采用經(jīng)典異質(zhì)形核理論，從熔體的晶胚分布和異質(zhì)晶核點(diǎn)鈍化角度分析了熔體溫度（或保溫時(shí)間）對(duì)形核過(guò)冷度和凝固組織的作用。熔體溫度對(duì)凝固體組織結(jié)構(gòu)的影響可以劃分為三個(gè)階段。第一階段:隨著熔體溫度升高或保溫時(shí)間延長(zhǎng)，熔體中原子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)衰退，熔體成分均勻化，形核過(guò)冷度增加，共晶組織細(xì)化。第二階段:隨著熔體溫度升高，異質(zhì)晶核點(diǎn)不斷鈍化，形核過(guò)冷度增加，