新型定向凝固共晶氧化物陶瓷Al2O3/MgAl2O4制备过程的研究

定向凝固稀土氧化物共晶陶瓷超高温（1600℃以上）条件下具有优良的机械性能和化学稳定性，可望用于超高温航空、航天发动机的结构件。具有精细组织和规则外形大尺寸样品的难以制备和高价格是阻碍其推广应用的关键因素。本课题拟采用感应加热区域熔炼法（IHZM）制备具有规则外形、不含稀土氧化物的大尺寸新型定向凝固共晶氧化物陶瓷Al2O3/MgAl2O4，重点研究该凝固过程中Al2O3/MgAl2O4两相的生长机制，对流、换热和传质的相互影响，以及三者对共晶陶瓷组织和性能的影响；研究共晶陶瓷组织与机械性能，特别是与高温机械性能之间的关系；探索大尺寸高性能低成本共晶氧化物陶瓷的制备工艺。本研究将丰富非金属-非金属系共晶凝固理论，为超高温结构材料的研制提供技术基础。

定向凝固氧化物共晶陶瓷超高温（1600℃以上）条件下具有优良的机械性能和化学稳定性，可望用于超高温航空、航天发动机的结构件。具有精细组织和规则外形大尺寸样品的难以制备阻碍其推广应用。本项目采用感应加热区域熔炼法制备了具有规则外形定向凝固共晶氧化物陶瓷Al2O3/MgAl2O4和Al2O3/MgAl2O4/ZrO2。研究了凝固过程中的对流、换热，及其对固液界面形状、共晶组织的影响，共晶陶瓷相生长机制，以及三者对陶瓷组织和性能的影响；共晶陶瓷组织与性能之间的关系；探索了大尺寸共晶陶瓷的制备工艺。主要研究结果如下：.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：自然对流呈逆时针环形流，整个凝固过程中强度先减小后增大，固液界面呈明显凹形界面。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，固液界面凹陷深度进一步减小，直至趋近于平界面。坩埚恒速旋转，也可明显改变流场形态，随着转速增加熔区对流强度显著提高，传热和传质亦明显加强，降低共晶生长界面的凹陷程度。.利用感应区熔法制备了表面光滑的Al2O3/MgAl2O4共晶陶瓷圆棒（φ10mm×104mm）。共晶陶瓷由Al2O3相和MgAl2O4相组成，分别按照（110）、（300）晶面生长；其中 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。共晶陶瓷硬度和断裂韧性分别达到18.7GPa和3.74 MPa•m1/2，约是预烧结体的2倍。密度提高和晶界消失以及两相精细结构，有效提高了材料硬度和断裂韧性。当凝固速率增加时，共晶陶瓷的组织明显细化，体积密度和硬度有所减小，断裂强度增加。.利用感应区熔法制备了表面光滑致密Al2O3/MgAl2O4/ZrO2三元共晶陶瓷圆棒（φ10mm×62mm）。其组织中Al2O3相和MgAl2O4相为基体相，ZrO2相以棒状镶嵌在基体中。三元共晶陶瓷硬度和断裂韧性达到12GPa和6.1MPa•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，有效提高了材料硬度和断裂韧性。当凝固速率增加时，共晶陶瓷组织明显细化，体积密度和硬度有所减小，断裂强度先增加而后减小。