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氧化铝基共晶陶瓷在高温氧化环境下展现出了优异的结构稳定性与力学性能,作为一种可应用于航空航天领域的高温结构材料,得到了研究者们的重视。共晶陶瓷是共晶成分的陶瓷熔体冷却的过程中,各组元以共晶生长的方式同时析出而形成的一种原位复合陶瓷材料。由于共晶温度普遍在1800℃以上,一般手段难以获得氧化铝基共晶陶瓷,目前这类材料的研究与制备大多基于向凝固技术。发展共晶陶瓷的新型制备方法对共晶陶瓷的研究与应用具有重要意义。
本研究以自蔓延高温合成体系Ti-C-TiC作为化学炉,对Al2O3-YAG体系和Al2O3-YSZ体系共晶陶瓷进行高温快速制备。实验中共晶成分的陶瓷原料包裹在自蔓延反应化学炉中,随自蔓延反应的升、降温过程熔化与凝固,得到共晶陶瓷块体。实验使用不同质量与不同稀释剂含量的化学炉,并结合物相分析等方法,确定了温度场满足Al2O3-YAG、Al2O3-YSZ共晶陶瓷凝固条件的化学炉为120g Ti-C-20wt%TiC和140g Ti-C-20wt%TiC,并在Al2O3-YAG共晶成分下以140gTi-C-30wt%TiC化学炉获得了Al2O3-YAP亚稳态共晶陶瓷;分析了该工艺下共晶陶瓷的熔凝过程,以及改变化学炉质量和稀释剂含量对共晶陶瓷制备的影响;分析了共晶陶瓷中气孔分布与形成机制;测得三种共晶陶瓷的相对密度约为98%、97%和95%;在自蔓延反应开始1min后取出的共晶陶瓷硬度分别为16.13±2.57GPa、16.31±2.18GPa和15.85±2.03GPa,在3min和5min时取出的样品硬度略有降低。
本文根据SEM与XRD结果对获得的共晶陶瓷的形貌特点与形成过程进行了讨论与分析。以化学炉技术制的共晶陶瓷具有明显的等轴式生长特征;各共晶胞团的生长存在一定取向;由于共晶陶瓷凝固过程中温度场与凝固速率在时间上和空间上分布不均匀,导致共晶陶瓷不同区域上共晶尺度存在差异;共晶陶瓷在断裂时,裂纹在共晶结构中扩展路径近似于直线。对共晶陶瓷的高温热稳定性进行了研究,将Al2O3-YAG共晶陶瓷在1550℃空气气氛下处理20h,样品质量变化仅为0.06%,共晶结构未观察到晶粒生长;将Al2O3-YAP共晶陶瓷在1400℃空气气氛下处理1h,亚稳态的YAP相全部与Al2O3反应,转化为YAG相,结构上仍保持棒状晶形态。