西工大蘇海軍教授團隊：定向凝固共晶陶瓷組織規則化調控機制及1773K高溫長時組織性能熱穩定性

航空航天事業的發展對國民經濟和高端裝備更新升級具有重要的影響。作為航空航天飛行器的“心臟”——發動機，提高其推重比和熱效率的有效措施之一是不斷提高發動機渦輪前進口溫度。推重比10的發動機渦輪前進口溫度已達到1600~1650℃，推重比15以上的渦輪前進口溫度將高于1800℃，這對高溫結構材料及先進制造技術提出了嚴峻的考驗。陶瓷基復合材料具有高熔點、高強度、耐腐蝕及耐磨等優異性能，作為超高溫結構材料進入人們的視野。傳統的粉末燒結法和溶膠-凝膠法、化學氣相滲透法等復合工藝則不可避免地在陶瓷基復合材料組成相之間引入大量的弱結合界面以及無定形相，不利于高溫力學性能及組織熱穩定性的進一步提高。因此，研究和發展能夠長期工作在高溫氧化性環境中的超高溫結構材料及其制備技術成為全球關注的熱點。

Al2O3基共晶自生復合陶瓷及其定向凝固制備技術突破了傳統陶瓷制備的限制，表現出優異的高溫性能，具有巨大的工程應用前景和經濟價值，有望用于發動機燃燒室浮壁及渦輪噴嘴葉片等部件而無需涂層及空心氣冷。目前，定向凝固氧化物共晶自生復合陶瓷仍有很大的發展空間，學者們更多地關注氧化物共晶自生復合陶瓷制備技術的突破、Al2O3基小平面共晶自生復合陶瓷生長行為的研究及共晶組織的調控、脆性陶瓷材料斷裂韌性的提高以及超細共晶組織高溫組織穩定性的研究等方面，以期獲得綜合性能優異、能夠在高溫氧化性環境中長期服役的超高溫結構材料。

近日，西北工業大學蘇海軍教授團隊報道了激光懸浮區熔技術制備的定向凝固共晶陶瓷，從形態學和晶體學角度揭示了Al₂O₃/GAP共晶凝固組織形貌演化規律。利用規則共晶占比直觀地考察了成分和凝固速率對Al₂O₃/GAP共晶組織規則化的協同作用，證實凝固速率起主導作用。明確了不同形貌Al₂O₃/GAP共晶兩相之間的晶體學位向關系。系統考察了Al₂O₃/GAP共晶陶瓷的室溫力學性能及組織與性能的熱穩定性。Al₂O₃/GAP共晶彈性模量和最高硬度分別為379±16GPa和18.0±0.5GPa，1500°C空氣中熱暴露500h后，共晶試樣的組織粗化速率小于0.003μm/h，斷裂韌性基本保持不變，具有良好的組織與性能熱穩定性。相關工作以題為“Comprehensive microstructure regularization mechanism and microstructure–property stability at 1773 K of directionally solidified Al₂O₃/GdAlO₃?eutectic ceramic composite”的研究論文發表在Composites Part B。

圖1 不同成分Al₂O₃/GAP共晶橫截面組織: (a1-a3) AG20, (b1-b3) AG21, (c1-c3) AG25.

圖1所示，對比不同成分和凝固速率下Al₂O₃/GAP共晶的顯微組織發現提高凝固速率促進了Al₂O₃/GAP共晶由非規則共晶形貌向規則共晶形貌的演化，增大Al₂O₃相的體積分數促進了規則共晶組織的形成。相較棒狀規則共晶形貌而言，復雜規則結構共晶形貌通常在更高的凝固速率下形成。Al₂O₃含量增多使得復雜規則組織中Al₂O₃脊柱變長，Al₂O₃脊柱周圍形成均勻細小的棒狀結構共晶組織，其共晶間距約為0.3μm，溶質橫向擴散距離較短，有利于共晶組織穩態生長，共晶胞尺寸增大。

圖2 不同成分Al₂O₃/GAP共晶陶瓷的共晶間距與凝固速率的關系: (a) AG21, (b) AG22, (c) AGE, (d) AG25.

低速下溫度梯度對共晶間距的影響較大，高的溫度梯度使得組織細化，采用GK非規則共晶生長模型較好地表征了共晶間距與凝固速率的關系，理論預測值與實驗結果吻合，如圖2所示。對比不同形貌組織的共晶間距發現，非規則共晶組織的共晶間距約為規則共晶組織的1.6-1.8倍，隨凝固速率的增大，不同成分Al₂O₃/GAP共晶中均發生顯著的組織規則化現象。成分對共晶間距的影響則略小，不同成分下非規則共晶組織和規則共晶組織的共晶間距變化分別在25%和18%范圍內。

圖3所示棒狀規則共晶組織中，Al₂O₃和GAP共晶相界面潔凈，不存在玻璃相，相界面結合牢固，共晶兩相之間形成特定的晶體學位向關系：(10-1-2)Al₂O₃//(010)GAP，(0-11-2)Al₂O₃//(10-1)GAP。棒狀規則共晶Al₂O₃/GAP相界面的晶格錯配度較象形文字非規則共晶的略低。

圖3 棒狀結構Al₂O₃/GAP共晶的透射電鏡分析: (a) Al₂O₃/GAP共晶TEM圖像，(b) GAP相電子衍射花樣，(c) Al₂O₃相電子衍射花樣, (d) Al₂O₃/GAP界面HRTEM圖像,(e, f) (1012)Al₂O₃和(020)GAP晶面的傅立葉濾波圖像.

圖4? 不同成分和凝固速率下Al₂O₃/GAP共晶中規則共晶組織的占比.

圖4所示為規則共晶占比，研究發現，凝固速率對非規則-規則共晶形貌轉變起主導作用，成分對共晶組織規則化的影響主要體現在16-200μm/s凝固速率下，Gd₂O₃含量的減小使得Al₂O₃體積分數增大，促進了規則共晶組織的形成。通過成分和凝固速率的調控可以實現Al₂O₃/GAP共晶組織形貌的控制：低速下(v<16μm/s)可以獲得Al₂O₃/GAP非規則共晶組織，高速下(v>200μm/s)可以獲得規則共晶組織；調控Gd₂O₃含量可以促進或抑制規則共晶組織的形成。

圖5 不同凝固速率下獲得的Al₂O₃/GAP共晶在1500℃熱暴露前后的顯微組織:(a1-a4) 2μm/s, (b1-b4) 16μm/s, (c1-c4) 50μm/s, (d1-d4) 100μm/s.

圖5為共晶陶瓷1500^°C空氣中長時間熱暴露后組織形貌，凝固速率為2μm/s時，Al₂O₃/GAP共晶組織隨著熱暴露時長的增加而略有長大，熱暴露前后共晶組織形態變化較小，均為象形文字結構非規則共晶組織，質量僅增長了0.3%。說明Al₂O₃/GAP共晶陶瓷具有優異的組織熱穩定性和高溫抗氧化性。

圖6 凝固速率和成分對Al₂O₃/GAP共晶陶瓷的維氏硬度和斷裂韌性的影響: (a)凝固速率的影響, (b-c)成分的影響.

Al₂O₃/GAP共晶體系的硬度隨凝固速率的增大而增大，凝固速率由2μm/s增至100μm/s時，組織細化，Al₂O₃/GAP共晶陶瓷的硬度由16.4±0.5GPa增加至18.0±0.5GPa，斷裂韌性基本不變，平均值為3.6±0.3MPa·m^1/2。

該研究綜合分析了激光懸浮區熔定向凝固技術制備的Al₂O₃/GAP二元共晶自生復合陶瓷，深入研究Al₂O₃基小平面共晶的生長行為、組織演化規律以及材料性能，為新一代高溫結構材料的研發和應用提供數據參考和技術支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2023.110647

本文由作者供稿

作者簡介：

蘇海軍，西北工業大學材料學院教授、博士生導師。國家優秀青年科學基金獲得者，中國有色金屬創新爭先計劃獲得者，入選國家首批“香江學者”計劃，陜西省“青年科技新星”、陜西高校青年創新團隊學術帶頭人和陜西重點科技創新團隊帶頭人。長期從事先進定向凝固技術與理論及新材料研究研究，涉及高溫合金、超高溫復合陶瓷及結構功能一體化復合材料等。主持包括國家自然基金重點、優青等6項國家基金在內的30余項國家及省部級重要科研項目，發表SCI論文160余篇。獲授權中國發明專利50項以及1項美國發明專利。參編專著3部。獲陜西高校科學技術研究優秀成果特等獎、陜西省科學技術一等獎、陜西省冶金科學技術一等獎、全國有色金屬優秀青年科技獎和陜西青年科技獎各1項。