氧化物共晶陶瓷激光增材制造裂纹缺陷形成及抑制研究进展

氧化物共晶陶瓷以其优异的高比强度、耐高温、耐腐蚀、抗氧化和抗蠕变等独特性能,被认为是超高温氧化腐蚀等极端环境下长期稳定服役的理想材料之一,在新一代高推重比航空发动机高温热端结构部件中具有巨大的应用前景。激光增材制造技术已成为近年来制备高性能复杂结构部件最具潜力的前沿技术,然而陶瓷在激光快速凝固过程中,裂纹缺陷极易产生,严重影响构件的成形质量和性能,成为制约工程化应用的关键。本文综述了激光近净成形和激光粉末床熔融两种典型陶瓷激光增材制造技术,分析对比了两种技术制备的不同形状陶瓷样件的裂纹形态特征,重点从微观组织形态特征、应力状态等角度探讨了激光增材制造氧化物陶瓷裂纹的形成机理,并进一步从工艺参数优化、成分设计、外场辅助等三个方面改善微观组织与减小热应力以抑制裂纹进行系统总结。最后指出氧化物共晶陶瓷激光增材制造在粉末特性、成形主次因素、成形技术研究等方面的未来发展趋势及突破方向。

Y_(2)O_(3)添加量对Al_(2)O_(3)/ZrO_(2)共晶陶瓷显微组织及力学性能的影响

为探索第三组元Y_(2)O_(3)添加对Al_(2)O_(3)/ZrO_(2)共晶陶瓷显微组织与机械性能的影响,本文利用低温度梯度的高温熔凝法制备了直径为20 mm的Al_(2)O_(3)/ZrO_(2)(Y_(2)O_(3))共晶陶瓷块体,采用SEM、EDS及XRD技术对共晶陶瓷进行微结构分析,并利用维氏压痕法对其硬度和断裂韧性进行测试。SEM结果表明,凝固组织由群集的共晶团结构组成,随着Y_(2)O_(3)添加量的增加,共晶团形态由胞状转变为枝晶状,内部相间距在1~2μm范围内变化。力学测试表明,Y_(2)O_(3)摩尔分数小于1.1%时,由于组织内部存在低硬度m-ZrO_(2)及微裂纹缺陷,故陶瓷硬度较低,约为(9.53±0.22)GPa;当Y_(2)O_(3)摩尔分数为1.1%时,陶瓷硬度最大,约为(18.05±0.27)GPa;当Y_(2)O_(3)的摩尔分数大于1.1%时,由于共晶团边界区内气孔缺陷及粗大组织增多,引起陶瓷硬度值略有下降。低Y_(2)O_(3)摩尔分数添加时,陶瓷断裂韧性相对较高,约为(6.30±0.16)MPa·m^(1/2),这与其内部存在大量微裂纹缺陷有关;随着Y_(2)O_(3)添加量的增加,陶瓷的微裂纹数量减少、边界区内缺陷增多,断裂韧性降低。

西工大在激光制备共晶陶瓷方面取得重要突破

近日,西北工业大学苏海军教授团队采用激光定向能量沉积技术制备Al2O3/GAP/ZrO2三元共晶陶瓷,分析了共晶陶瓷在逐层熔覆沉积过程中裂纹的形成及扩展规律与抑制方法,建立了共晶陶瓷在激光增材制造过程中的连续稳定成形判据,实现了试样沉积高度随沉积层数的线性增加,获得了高度大于410 mm且无明显宏观裂纹的高致密共晶陶瓷棒状试样,在此基础上制备了具有“拐角”特征结构的异形共晶陶瓷试样。

以超重力熔铸新技术快速制备Al_2O_3/YAG/YSZ三元共晶陶瓷

研究一种大块致密Al2O3/YAG/YSZ三元共晶陶瓷的快速制备新技术,以Al/Fe2O3/Y2O3/ZrO2为反应剂,通过诱发各组元间的燃烧合成反应,首先获得陶瓷(Al2O3/YAG/YSZ)和金属(Fe)的混合熔体;随后利用两种熔体的密度差异,在超重力场中实现陶瓷熔体和金属熔体的彻底分离和凝固。在超重力场作用下,先凝固的陶瓷相局部沉陷到金属熔体中,并受到金属熔体对之施加的接近2MPa的瞬态等静压力,因此得以实现完全致密化。微观结构分析表明,所获得的三元共晶陶瓷的相组成和晶粒形貌沿超重力方向呈现明显的梯度渐变特征。

光悬浮区熔定向凝固Al_(2)O_(3)/Er_(3)Al_(5)O_(12)和Al_(2)O_(3)/Yb_(3)Al_(5)O_(12)共晶陶瓷的制备与性能研究

本研究探索了光悬浮区熔法制备Al_(2)O_(3)/Er_(3)Al_(5)O_(12)(ErAG)和Al_(2)O_(3)/Yb_(3)Al_(5)O_(12)(YbAG)定向凝固共晶陶瓷。在10 mm/h的抽拉速率下成功获得了凝固组织均匀、内部无裂纹或孔洞的高质量共晶陶瓷。通过高分辨三维X射线衍射仪研究了Al_(2)O_(3)和RE_(3)Al_(5)O_(12)在三维空间的分布与组织结构;利用电子背散射衍射技术分析了定向凝固末期Al_(2)O_(3)和RE3Al5O12两相的晶体学择优取向和相界面关系。力学性能表征结果显示,Al_(2)O_(3)/ErAG和Al_(2)O_(3)/YbAG具有优异的力学性能,二者的维氏硬度分别为(13.5±0.4)和(12.8±0.1)GPa;断裂韧性分别为(3.0±0.2)和(3.2±0.1)MPa·m^(1/2)。

基于高温熔凝法Al_2O_3/ZrO_2/YAG共晶陶瓷显微组织演变规律

作为超高温结构材料,共晶氧化物陶瓷的力学性能和显微组织密切相关。采用高温熔凝法制备Al_2O_3/ZrO_2/YAG共晶陶瓷体,研究熔体温度和结晶种子对凝固组织影响规律,运用经典形核机制和Jackson-Hunt共晶生长模型探讨了凝固组织的演变机理。研究表明,随着熔体温度升高(1750~2000℃),凝固体物相组成从α-Al_2O_3,c-ZrO_2和YAG转变为α-Al_2O_3,c-ZrO_2和亚稳相YAP。凝固组织依次经历:非共晶Al_2O_3/ZrO_2/YAG、不规则共晶Al_2O_3/ZrO_2/YAG、纳米纤维状共晶Al_2O_3/ZrO_2/YAG和复杂粗大的亚稳复合陶瓷Al_2O_3/ZrO_2/YAP。分析表明,凝固组织的演变源于异质晶核点不断钝化导致形核过冷度和凝固路径改变,所以合理选择熔体温度和结晶种子是共晶组织调控的关键。

激光增材制造超高温氧化物共晶陶瓷研究进展

超高温氧化物共晶陶瓷具有优异的高温强度、高温蠕变性能、高温结构稳定性以及良好的高温抗氧化和抗腐蚀性能,成为1400℃以上高温氧化环境下长期服役的新型候选超高温结构材料之一,在新一代航空航天高端装备热结构部件中具有重要的应用前景。基于熔体生长技术,以选择性激光熔化和激光定性能量沉积为代表的激光增材制造技术具有一步快速近净成形大尺寸、复杂形状构件的独特优势,近年来已发展成为制备高性能氧化物共晶陶瓷最具潜力的前沿技术。本文从工作原理、成形特点、技术分类等方面概述了基于熔体生长的两种典型激光增材制造技术,综述了激光增材制造技术在超高温氧化物共晶陶瓷制备领域的研究现状和特点优势,重点介绍了选择性激光熔化和激光定向能量沉积超高温氧化物共晶陶瓷在激光成形工艺、凝固缺陷控制、凝固组织演化、力学性能等方面的研究进展。最后,指出了实现氧化物共晶陶瓷激光增材制造工程化应用亟需突破的关键瓶颈,并对该领域未来的重点发展方向进行了展望。

Al_2O_3/MgAl_2O_4共晶陶瓷定向凝固过程固液界面形貌的研究

采用有限元法计算模拟了Al2O3/MgAl2O4共晶陶瓷区域熔炼定向凝固过程固液界面形貌的演变,研究了熔区坩埚壁面温度、凝固速率对固液界面形貌的影响。结果表明,当熔区坩埚壁面温度从2090℃升至2290℃时,固液界面先由凸界面转为平界面,再转变为凹界面;固液界面前沿的温度梯度随之增大。当凝固速率从1×10-6 m/s升至1×10-5 m/s时,固液界面形貌无明显变化,而熔区长度有所增大。随着凝固过程的进行,熔区长度逐渐增大,凸固液界面的凸出高度逐渐变小。

感应区熔法制备Al_2O_3/MgAl_2O_4/ZrO_2共晶陶瓷

利用感应区熔法制备了Al2O3/MgAl2O4/ZrO2共晶陶瓷。当坩埚壁温为2200℃、行走速度为2 mm/h时,制备了10 mm×62 mm表面光滑致密的陶瓷样品。扫描电镜微观组织图显示Al2O3相和MgAl2O4相为基体相,ZrO2相以棒状镶嵌在基体中。定向凝固共晶陶瓷硬度和断裂韧性达到12 GPa和6.1 MPa·m1/2,为预烧结体的2倍和1.7倍。气孔和晶界的消失及细小规整ZrO2相在基体中的弥散分布,有效提高了材料的硬度和断裂韧性。

恒温基底对Al_2O_3基共晶陶瓷组织及硬度的影响

Al_2O_3-YAG共晶陶瓷材料以其出色的高温强度、抗氧化性、高温结构稳定性成为航空航天领域高温合金的理想替代材料。本文采用激光近净成形技术,分别在普通基底、水冷恒温基底上进行了Al_2O_3-YAG共晶陶瓷薄壁件成形实验,得到了不同基底上成形的薄壁样件,比较了两者的微观组织及显微硬度差异。结果表明,采用普通基底成形的薄壁件微观组织呈三维网状结构,平均共晶间距为0.96μm;采用水冷恒温基底后,薄壁顶部微观组织形貌呈晶团结构,薄壁底部呈枝状晶结构,微观组织逆热流方向生长特性明显,平均共晶间距减小至0.21μm;和普通基底上成形的Al_2O_3-YAG共晶陶瓷薄壁件显微硬度相比,使用水冷恒温基底成形的Al_2O_3-YAG共晶陶瓷薄壁件硬度提高约10%?

高温熔凝法制备Y2O3/Sm2O3双掺杂Al2O3-ZrO2共晶陶瓷的微观组织及力学性能

探索大尺寸共晶陶瓷的制备方法对其工业化应用具有重要意义。采用高温熔凝法制备了直径20 mm,不同Y2O3/Sm2O3含量的Al2O3-ZrO2共晶陶瓷,研究了Y/S(Y2O3/Sm2O3)双掺杂对Al2O3-ZrO2共晶陶瓷微观组织和力学性能的影响。结果表明,随掺杂量增加,共晶形貌由横截面呈三角形的共晶晶团转变为有尖端分裂特征的海藻状共晶,且共晶晶团内部的ZrO2相由对称分布的规则纤维状转变为无序分布的层片状。较单一掺杂Y2O3相比,双掺杂时共晶形貌转变发生在较小的掺杂量(3mol%),且掺杂量较高时(4.4mol%)SmAlO3相优先形成。掺杂量为2.2mol%时硬度达到最大值17.29 ± 0.50 GPa。断裂韧性在低掺杂量时较高,随掺杂量继续增大,断裂韧性不断减小。

定向凝固氧化物共晶陶瓷的制备工艺与性能

定向凝固氧化物共晶陶瓷以优异的高温性能,包括热稳定性、抗氧化烧蚀能力,高温机械性能,特别是高温断裂韧性和变形能力、抗蠕变性等,引起广泛关注,被认为是最有发展前景的新一代超高温结构材料。从共晶材料体系、制备方法、共晶相生长机制、力学性能等回顾了定向凝固共晶陶瓷的研究进展,探讨该研究方向亟待解决的问题。

激光快速熔凝Al_2O_3/YAG共晶陶瓷的制备与组织

采用激光快速熔凝技术制备Al2O3/YAG共晶自生复合陶瓷,研究Al2O3/YAG共晶陶瓷在高能激光束作用下,不同扫描速率（0.01～2.0 mm/s）、超高温度梯度下的凝固组织特征及其生长机制,探索激光熔凝过程控制参数与凝固组织的关系.研究结果表明：激光熔凝Al2O3/YAG共晶陶瓷由无规则连续分布的Al2O3相和YAG相两相组成,没有晶界和其他相,Al2O3相的体积分数为（45.0±2.0）%,两相耦合生长,交错分布,是典型的快速凝固层片状非规则共晶组织;共晶层间距细密,并随激光扫描速度的增大而减小,扫描速度为0.02 mm/s时,共晶间距约为1～2 μm,扫描速度为2.0 mm/s时,共晶间距仅为0.5 μm左右;综合热分析表明,Al2O3/YAG共晶熔点为2 096 K,与相图吻合.

区熔法制备Al_2O_3/MgAl_2O_4共晶陶瓷

利用感应区熔法制备了Al2O3/MgAl2O4共晶陶瓷。当坩埚壁温为2150℃、行走速度为5 mm/h时,获得了10 mm×104 mm表面光滑的圆棒。结果表明共晶陶瓷由Al2O3相和MgAl2O4相组成,分别按照(110)(311)晶面生长;Al2O3相为基体相,MgAl2O4相以非连续的片状均匀地分布在基体相之中。定向凝固共晶陶瓷的密度是理论值的99%;硬度和断裂韧性分别达到18.7 GPa和3.74 MPa·m1/2,约是预烧结体的2倍。气孔和界面非晶相的消失以及以单晶形态存在的Al2O3基体相,有效提高了材料的硬度和断裂韧性。

纳米Al_2O_3/GdAlO_3共晶陶瓷复合粉体的醇-水加热法制备与表征

为制备分散均匀的纳米尺度的共晶陶瓷复合粉体,采用Al（NO3）3·9H2O和Gd2O3作为原材料,通过醇-水加热法制备了纳米尺度的Al2O3/Gd AlO3共晶成分陶瓷粉体。研究了溶液初始浓度配比和pH值等对复合粉体粒径的影响。通过SEM、TEM、FT-IR和BET N2吸附法等手段表征了前驱体颗粒大小和分散性,确定最佳的前驱体制备工艺,对前驱体进行煅烧制得Al2O3/Gd AlO3复合陶瓷粉体。结果表明,前驱体粒径和分散性受制备工艺影响较大;特别是,最佳工艺制备的前驱体平均粒径20 nm,分散性良好,形貌多呈球形;1250℃煅烧后得到的Al2O3/Gd AlO3共晶陶瓷粉体的晶化良好、成分均匀,粉体粒径100~200 nm。

共晶陶瓷区熔过程中对流和传热的研究

氧化物共晶陶瓷具有优异的超高温力学性能和抗氧化性。为获得具有精细组织的共晶陶瓷,采用有限元法计算模拟了Al2O3/MgAl2O4共晶陶瓷的区域熔炼定向凝固过程。计算结果表明,热重引起的自然对流,呈逆时针环形流,整个凝固过程中流动强度先减小后增大,固液界面呈明显的凹形界面。ACRT强迫对流的特征为逆时针、顺时针对流胞交替呈现,强度比自然对流大1-2个数量级。施加ACRT后,凝固过程中固液界面仍然呈凹形界面,但是凹陷深度显著减小;当坩埚最大转速增大时,对流强度显著增加,固液界面的凹陷深度进一步减小,直至趋近于平界面。

定向凝固氧化物共晶陶瓷的研究进展

由于在1600℃以上超高温度下优异的抗氧化性和机械性能,定向凝固氧化物共晶陶瓷成为了潜在的新一代超高温结构材料。回顾了该材料的主要制备工艺及其进展,举例描述了共晶陶瓷的微观组织、高温强度和增韧机制。讨论了目前定向凝固氧化物共晶陶瓷仍需解决的问题。

超高温氧化物共晶陶瓷高梯度定向凝固组织与性能调控研究进展

随着航空航天等高新技术领域的迅猛发展,新一代高性能、高效率的超高温结构材料及其制备技术日益成为世界各国航空航天战略发展的重点。超高温氧化铝基共晶陶瓷具有天然杰出的抗氧化、抗腐蚀、抗蠕变、高强度等优良特性,在1400℃以上高温、水氧腐蚀等极端环境下服役具有突出的优势和巨大的发展前景。概述了超高温氧化物共晶陶瓷高梯度定向凝固技术的发展现状;探讨了氧化铝基超高温陶瓷高梯度定向凝固过程中缺陷的形成机理及其抑制措施;重点总结和评述了定向凝固氧化铝基共晶陶瓷的组织特征及均细化调控方法、共晶陶瓷晶体取向及织构调控方法,以及氧化物共晶陶瓷力学性能和强韧化调控方法;展望了高梯度定向凝固技术制备高性能大尺寸氧化物共晶陶瓷的发展趋势和突破点。

激光功率对激光粉末床熔融成形Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)共晶陶瓷熔池形态、微观组织和力学性能影响的研究

熔融生长的Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)共晶陶瓷具有优异的高温性能。采用激光粉末床熔融(LPBF)直接制备Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)共晶陶瓷,研究了不同激光功率下的单道形貌特征及块体表面质量、物相组成、微观组织结构的演变规律和力学性能。结果表明,激光功率的提升将增加熔池的长度和单沉积道的宽度。Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)共晶陶瓷的表面粗糙度(Ra)和气孔率均随着激光功率的增加先降低后升高。在没有添加Y2O_(3)等稳定剂的条件下,Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)共晶陶瓷的物相主要包括α-Al_(2)O_(3)、m-ZrO_(2)和亚稳相t-ZrO_(2)。随着激光功率的增加,m-ZrO_(2)逐渐减少,这是由于LPBF的快速冷却过程抑制了马氏体相变。样件的晶粒尺寸随着激光功率的增加呈增大趋势,晶界密度减小,因此测量的显微硬度和断裂韧性呈现下降的趋势。当激光功率为60 W时,得到硬度为Hv=17.19 GPa和断裂韧性为KIC=6.67 MPa·m1/2的最优力学性能样品。

定向凝固结构功能一体化氧化铝基共晶复合陶瓷研究进展

航空航天、电子信息、生物医学等高新技术的飞速发展对先进陶瓷材料的性能提出了更高的要求。具有单一特性的结构或功能材料已无法满足当前的需求,因此发展结构功能一体化高性能复合陶瓷已成为世界各国竞相竞争的目标。定向凝固氧化物共晶复合陶瓷是近年来发展的一类用于超高温氧化环境中长期服役的结构功能一体化复合材料。该类材料具有高熔点,低密度,优异的高温强度、高温蠕变性能等特性,同时兼具光学、电磁学、生物学等功能特性。本文综述了以Al_(2)O_(3)基材料体系为代表的定向凝固结构功能一体化共晶陶瓷的发展现状,总结出定向凝固共晶陶瓷的制备方法、技术原理和生长特点。重点阐述系列Al_(2)O_(3)基共晶陶瓷的凝固微观组织与结构特征,分析复合陶瓷的力学、光学、磁学和生物特性等性能及影响因素,并介绍其特点优势和应用范围。最后,总结定向凝固结构功能一体化共晶复合陶瓷在工程应用方面所面临的挑战和关键瓶颈,提出了共晶复合陶瓷材料在成形技术创新、综合性能提升、新体系开发等方面发展的主要方向。