CN102020458B

CN102020458B - 一种获得氧化铝基三元熔体生长陶瓷组织形貌的方法

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Publication number: CN102020458B
Application number: CN 201010535593
Authority: CN
Inventors: 张军; 刘林; 宋衎; 苏海军; 傅恒志
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2010-11-04
Filing date: 2010-11-04
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2030-11-04
Also published as: CN102020458A

Abstract

一种获得氧化铝基三元熔体生长陶瓷组织形貌的方法，采用双向等质量激光束对氧化铝、氧化钇和氧化锆形成的氧化铝基三元熔体生长陶瓷的多个预制体进行区熔，实现对预制体的定向凝固。取定向凝固后各个预制体的纵截面及横截面，经常规金相处理后表面喷金，得到A1₂O₃/YAG/ZrO₂三元氧化物熔体生长陶瓷在不同生长速率下的组织形貌。定向凝固中，激光功率为200W，试样旋转系统的转速为50Rpm；各预制体的抽拉速率为1～300μm/s。本发明实现了预制体固液界面前沿温度场均匀平直的目的，克服了传统方法中的造价高昂，结构复杂的缺陷，能够对熔点高、不导电材料进行定向凝固组织演化研究。

Description

一种获得氧化铝基三元熔体生长陶瓷组织形貌的方法

技术领域

本发明涉及材料加工工程领域，具体是一种获得氧化铝基三元熔体生长陶瓷组织形貌的方法。

背景技术

A1₂O₃/YAG/ZrO₂三元共晶氧化物熔体生长陶瓷以其卓越的高温力学性能及抗腐蚀性能，被认为是最有可能取代高温合金成为下一代高推比发动机叶片的材料。但距离其应用于工业仍然需要大量的研究和实践，其中最重要的一部分就是揭示其凝固组织与凝固条件之间的关系，为系统设计可靠的、稳定的生产工艺流程打下基础。

目前，一般通过Bridgman法和外延生长法获得氧化物熔体生长陶瓷组织形貌。

Bridgman法，该方法的优点在于能够制备大尺寸块状材料，试样尺寸的限制因素只有坩埚尺寸，其温度梯度大约在10²K/cm数量级。氧化物熔体一般放置于高纯钼、钨和铱的坩埚中，通过缓慢将坩埚抽出热区来实现定向凝固。

微拉法适用于制备具有同种性质和共晶间距控制在微米范围内的共晶材料，尤其适合用来制备具有直径在毫米以下的共晶陶瓷纤维。其温度梯度可以达到10³K/cm，生长速率可达1000mm/h，试样直径在0.3～5mm范围。

外延生长法，该方法是利用液体的毛细作用而开发的一种定向凝固方法。将难熔合金制成的型模部分浸入盛有共晶熔体的坩锅中，当模壳进入熔体一半左右时，在毛细作用下，熔体沿模壳中的细孔上升至与型模的上表面润湿，同时将于型模上表面相接触的籽晶提拉，即可连续制备陶瓷自生复合材料。其温度梯度可达400～1600K/cm。

Bridgman法和外延生长法的温度梯度较低，只能获得低凝固速率下氧化物熔体生长陶瓷组织形貌。并且采用Bridgman法获得氧化物熔体生长陶瓷组织形貌时，每次生产之后都需要更换坩埚，代价极高，不适合做研究用。而用于外延生长法的装置亦结构复杂，生产成本较高。

美国NASA格林实验室的Sayir等人利用两个高速旋转的凸轮状反射镜，实现了激光束在预制体表面的高速循环扫描，从而保证温度场均匀，成功生长出具有均匀组织的定向凝固氧化物共晶纤维。但所使用的装置结构复杂，精度要求高，造价很高。

西班牙CSIC大学和西北工业大学凝固技术国家重点实验室利用水平区熔法成功的制得了4-6mm直径的棒状以及厚度达300μm的片状氧化物共晶试样，该方法所获得的激光水平区熔温度梯度可达10⁴K/cm级，但等温面不平直，获得的氧化物熔体生长陶瓷组织形貌无法与凝固参数相对应，造成实验结果分析的巨大困难。

发明内容

为克服现有技术中存在的或者结构复杂、代价高昂，或者等温面不平直，或者温度梯度不高的不足，本发明提出了一种获得氧化物熔体生长陶瓷组织形貌的方法。

本发明包括以下步骤：

第一步，制作预制体；通过混料、研磨、压制、烧结和成形，获得多个预制体；

第二步，对多个预制体分别进行定向凝固；对多个预制体分别进行定向凝固的具体过程是，将其中一个预制体装夹在抽拉系统上，并使凸透镜镜体中心与两束激光交点之间距离为270～310mm；打开激光器，使激光功率以50W/min的速率逐步升高至200W将预制体区熔；启动试样旋转系统和抽拉机构，实现第一个预制体的定向凝固；将第二个预制体装夹在抽拉系统上；并使凸透镜镜体中心与两束激光交点之间距离为270～310mm；打开激光器，使激光功率以50W/min的速率逐步升高至200W；重复上述过程，逐一对其余各预制体进行定向凝固直至结束；定向凝固中，试样旋转系统的转速为50Rpm；各预制体的抽拉速率为1～300μm/s；获得多个定向凝固后的试样；

第三步，取定向凝固后各个试样的纵截面及横截面；各个试样的纵截面过试样的中心轴线；各个试样的横截面垂直于试样的中心轴线；对得到的多个试样的纵截面及横截面经过常规金相处理后，表面喷金；得到Al₂O₃/YAG/ZrO₂三元氧化物熔体生长陶瓷在不同生长速率下的组织形貌。

所述的氧化物是由氧化铝、氧化钇和氧化锆形成的氧化铝基三元熔体生长陶瓷，并且氧化铝∶氧化钇∶氧化锆的摩尔百分比为65.8∶15.6∶12～31.7。

激光束在预制体表面形成的光斑直径为3～4mm。

本发明采用双向等质量激光束对预制体进行区熔，同时旋转预制体，达到使预制体固液界面前沿温度场均匀平直的目的，克服了传统方法中的造价高昂，结构复杂等问题，并以较为简便的方法很好的解决了问题。如图3所示为本发明所获得的凝固速率为100μm/s时Al₂O₃/Y₂O₃/ZrO₂摩尔百分比为65.8/15.6/31.7三元过共晶组织图片，可看出界面在直径范围内比较平整，相对于图4中所示的激光水平区熔等温线来看有明显改善。本发明能够对熔点高、不导电材料进行定向凝固组织演化研究，所得到的氧化物熔体生长陶瓷组织均匀且细小致密，定向性好，其力学性能及其它功能都明显好于其他定向凝固方法。

附图说明

附图1是获得氧化铝基三元共晶熔体生长陶瓷组织形貌方法的流程图。

附图2为本发明获得的凝固速率为100μm/s时Al₂O₃/Y₂O₃/ZrO₂摩尔百分比为65.8/15.6/31.7三元过共晶组织图片。

附图3本发明获得的凝固速率为200μm/s时Al₂O₃/Y₂O₃/ZrO₂摩尔百分比为65.8/15.6/31.7三元过共晶组织图片。

附图4本发明获得的凝固速率为30μm/s时Al₂O₃/Y₂O₃/ZrO₂摩尔百分比为65.8/15.6/18.6三元共晶组织图片。

附图5本发明获得的凝固速率为40μm/s时Al₂O₃/Y₂O₃/ZrO₂摩尔百分比为65.8/15.6/12三元亚共晶组织图片。

附图6是激光悬浮区熔定向凝固装置的结构示意图。

附图7是激光悬浮区熔定向凝固装置结构示意图的A向试图。其中：

1.激光器 2.分光镜 3.第一反射镜 4.第二反射镜 5.第三反射镜 6.凸透镜7.凸透镜平移装置 8.平透镜 9.真空室 10.抽拉旋转系统 11.电机组12.定位螺栓 13.预制体 14.熔区 a.凝固方向 b.激光扫描方向c.凝固方向 d.等温线 e.2秒钟之后的等温线

具体实施方式

实施例一

本实施例是一种获得Al₂O₃/YAG/ZrO₂三元共晶熔体生长陶瓷在不同生长速率下的定向凝固组织形貌的方法，所进行定向凝固的预制体的数量为5个，其具体过程包括以下步骤：

第一步，制作5个预制体；每个预制体的制作过程是，将Al₂O₃、Y₂O₃及ZrO₂三种高纯(4N)粉体按照摩尔百分比65.8/15.6/18.6混合并放入研钵中，加10％的PVA粘结剂，通过常规方法将粉体混合并研磨至无团聚硬块；取10克混好的粉体放入内腔尺寸为68×10mm的模具中，合模加压25MPa，保压5分钟，将粉体压制成约68×10×5mm的板块，形成预制体的坯料；在大气下对压好的预制体的坯料进行烧结，以增加预制体的强度，烧结温度为1400℃，保温烧结2小时；随炉冷却。用金刚石切割片将烧结好的预制体坯料切成两个68mm×4mm×4mm的条状。用砂纸将其棱角磨掉，形成近圆形棒，得到两个预制体。重复上述过程，制作完成所需的5个预制体。

第二步，对预制体进行定向凝固；将其中一个预制体的两端分别装夹在抽拉系统的上夹头和下夹头上，通过调整凸透镜平移装置调整凸透镜的位置，使凸透镜镜体中心点至由第二反射镜与第三反射镜反射的激光束的交点之间的距离为270mm，在预制体表面形成直径为3mm的光斑；打开激光器并移动同步夹头，使激光器产生的波长为630nm的红色激光束交点落在预制体底部，继而开启10.6μm波长的激光束，使激光束交点落在预制体底部；为防止预制体骤热炸裂，使激光功率以50W/min的速率逐步升高至氧化物共晶定向凝固时所需的功率，本实施例中，激光功率逐步升高至200W，此时预制体被激光区熔；开启抽拉旋转系统中的旋转机构，该旋转机构转速为50Rpm；开启抽拉旋转系统中的抽拉机构，使预制体按4μm/s速率从上至下移动，实现氧化物共晶的定向凝固。将其中第二个预制体的两端分别装夹在抽拉系统的上夹头和下夹头上；打开激光器并移动同步夹头，使激光器产生的波长为630nm的红色激光束交点落在预制体底部，继而开启10.6μm波长的激光束，使激光束交点落在预制体底部；为防止预制体骤热炸裂，使激光功率以50W/min的速率逐步升高至氧化物共晶定向凝固时所需的功率，本实施例中，激光功率逐步升高至200W，此时预制体被激光区熔；开启抽拉旋转系统中的旋转机构，该旋转机构转速为50Rpm；开启抽拉旋转系统中的抽拉机构，使预制体按16μm/s速率从上至下移动，实现氧化物共晶的定向凝固。重复上述过程，逐一对其余各预制体进行定向凝固直至结束；凸透镜镜体中心点至由第二反射镜与第三反射镜反射的激光束的交点之间的距离均为270mm，在预制体表面形成直径均为3mm的光斑；激光功率均以50W/min的速率逐步升高至200W；抽拉旋转系统转速均为50Rpm，其余各预制体的抽拉速率分别为30、120、300μm/s。完成预制体的定向凝固。

第三步，将定向凝固后的5个试样分别沿轴线及垂直于轴线的方向切开；对得到的5个试样纵截面及横截面经过常规金相处理后，表面喷金；从而得到Al₂O₃/YAG/ZrO₂三元共晶熔体生长陶瓷在不同生长速率下的组织形貌。

实施例二

本实施例是一种获得Al₂O₃/YAG/ZrO₂三元亚共晶熔体生长陶瓷在不同生长速率下的定向凝固组织形貌的方法，所进行定向凝固的预制体的数量为6个，其具体过程包括以下步骤：

第一步，制作预制体；；将Al₂O₃、Y₂O₃及ZrO₂三种高纯(4N)粉体按照摩尔百分比65.8/15.6/12混合并放入研钵中，加入10％的PVA粘结剂，通过常规方法将粉体混合并研磨至无团聚硬块；将10克混好的粉体放入内腔尺寸为68×10mm的模具中，合模加压20MPa，保压7分钟，将粉体压制成约68×10×5mm的板块，形成预制体的坯料；在大气下对压好的预制体的坯料进行烧结，以增加预制体的强度，烧结温度为1600℃，保温烧结2小时，随炉冷却；用金刚石切割片将烧结好的预制体坯料切成两个68mm×4mm×4mm的条状。用砂纸将其棱角磨掉，形成近圆形棒，得到两个预制体。重复上述过程，制作完成所需的6个预制体。

第二步，对预制体进行定向凝固；将预制体的两端装夹在抽拉系统的上夹头和下夹头上，通过调整凸透镜平移装置调整凸透镜的位置，使凸透镜镜体中心点至由第二反射镜与第三反射镜反射的激光束的交点之间的距离为290mm，在预制体表面形成直径为3.5mm的光斑；打开激光器并移动同步夹头，使激光器产生的波长为630nm的红色激光束交点落在预制体底部，继而开启10.6μm波长的激光束，使激光束交点落在预制体底部；为防止预制体骤热炸裂，使激光功率以50W/min的速率逐步升高至氧化物共晶定向凝固时所需的功率，本实施例中，激光功率逐步升高至200W，此时预制体被激光区熔；开启抽拉旋转系统中的旋转机构，该旋转机构转速为100Rpm；开启抽拉旋转系统中的抽拉机构，使预制体按2μm/s速率从上至下移动，实现氧化物共晶的定向凝固。将其中第二个预制体的两端分别装夹在抽拉系统的上夹头和下夹头上；打开激光器并移动同步夹头，使激光器产生的波长为630nm的红色激光束交点落在预制体底部，继而开启10.6μm波长的激光束，使激光束交点落在预制体底部；为防止预制体骤热炸裂，使激光功率以50W/min的速率逐步升高至氧化物共晶定向凝固时所需的功率，本实施例中，激光功率逐步升高至200W，此时预制体被激光区熔；开启抽拉旋转系统中的旋转机构，该旋转机构转速为100Rpm；开启抽拉旋转系统中的抽拉机构，使预制体按6μm/s速率从上至下移动，实现氧化物共晶的定向凝固。重复上述过程，逐一对其余各预制体进行定向凝固直至结束；凸透镜镜体中心点至由第二反射镜与第三反射镜反射的激光束的交点之间的距离均为290mm，在预制体表面形成直径均为3.5mm的光斑；激光功率均以50W/min的速率逐步升高至200W；抽拉旋转系统转速均为100Rpm，其余各预制体的抽拉速率分别为8、40、80、150μm/s。完成预制体的定向凝固。

第三步，将定向凝固后的6个试样分别沿轴线及垂直于轴线的方向切开；对得到的6个试样纵截面及横截面，经过常规金相处理后，表面喷金，从而得到Al₂O₃/YAG/ZrO₂三元亚共晶熔体生长陶瓷在不同生长速率下的组织形貌。

实施例三

本实施例是一种获得Al₂O₃/YAG/ZrO₂三元过共晶熔体生长陶瓷在不同生长速率下的定向凝固组织形貌的方法，所进行定向凝固的预制体的数量为7个，其具体过程包括以下步骤：

第一步，制作预制体；将Al₂O₃、Y₂O₃及ZrO₂三种高纯(4N)粉体按照摩尔百分比65.8/15.6/31.7混合并放入研钵中，加入10％的PVA粘结剂，通过常规方法将粉体混合并研磨至无团聚硬块；将10克混好的粉体放入内腔尺寸为68×10mm的模具中，合模加压22MPa，保压6分钟，将粉体压制成约68×10×5mm的板块，形成预制体的坯料；在大气下对压好的预制体的坯料进行烧结，以增加预制体的强度，烧结温度为1600℃，保温烧结2小时，随炉冷却；用金刚石切割片将烧结好的预制体坯料切成两个68mm×4mm×4mm的条状。用砂纸将其棱角磨掉，形成近圆形棒，得到两个预制体。重复上述过程，制作完成所需的7个预制体。

第二步，对预制体进行定向凝固；将预制体的两端装夹在抽拉系统的上夹头和下夹头上，通过调整凸透镜平移装置调整凸透镜的位置，使凸透镜镜体中心点至由第二反射镜与第三反射镜反射的激光束的交点之间的距离为310mm，在预制体表面形成直径为4mm的光斑；打开激光器并移动同步夹头，使激光器产生的波长为630nm的红色激光束交点落在预制体底部，继而开启10.6μm波长的激光束，使激光束交点落在预制体底部；为防止预制体骤热炸裂，使激光功率以50W/min的速率逐步升高至氧化物共晶定向凝固时所需的功率，本实施例中，激光功率逐步升高至200W，此时预制体被激光区熔；开启抽拉旋转系统中的旋转机构，该旋转机构转速为50Rpm；开启抽拉旋转系统中的抽拉机构，使预制体按1μm/s速率从上至下移动，实现氧化物共晶的定向凝固。将其中第二个预制体的两端分别装夹在抽拉系统的上夹头和下夹头上；打开激光器并移动同步夹头，使激光器产生的波长为630nm的红色激光束交点落在预制体底部，继而开启10.6μm波长的激光束，使激光束交点落在预制体底部；为防止预制体骤热炸裂，使激光功率以50W/min的速率逐步升高至氧化物共晶定向凝固时所需的功率，本实施例中，激光功率逐步升高至200W，此时预制体被激光区熔；开启抽拉旋转系统中的旋转机构，该旋转机构转速为50Rpm；开启抽拉旋转系统中的抽拉机构，使预制体按5μm/s速率从上至下移动，实现氧化物共晶的定向凝固。重复上述过程，逐一对其余各预制体进行定向凝固直至结束；凸透镜镜体中心点至由第二反射镜与第三反射镜反射的激光束的交点之间的距离均为310mm，在预制体表面形成直径均为4mm的光斑；激光功率均以50W/min的速率逐步升高至200W；抽拉旋转系统转速均为50Rpm，其余各预制体的抽拉速率分别为10、20、50、100、200μm/s。完成预制体的定向凝固。

第三步，将定向凝固后的7个试样分别沿轴线及垂直于轴线的方向切开；对得到的7个试样纵截面及横截面经过常规金相处理后，表面喷金，从而得到Al₂O₃/YAG/ZrO₂三元过共晶熔体生长陶瓷在不同生长速率下的组织形貌。

实施例四

本实施例是一种用于实施上述各实施例中提出的获得氧化物熔体生长陶瓷组织形貌的方法的激光悬浮区熔定向凝固的装置。所述的激光悬浮区熔定向凝固的装置包括激光器1、分光镜2、反射镜、两片凸透镜6、两片平透镜8及凸透镜平移装置7、真空室9、抽拉旋转系统10和两个电机组11。本实施例中，平面反射镜三片包括第一反射镜3、第二反射镜4和第三反射镜5，并且分光镜2、第一反射镜3、第二反射镜4和第三反射镜5依次分布在真空室9外周边。激光器1位于真空室9一侧。两个圆形的平透镜8分别嵌装在真空室9两侧壳体上；该平透镜8的中心轴线过抽拉旋转系统10的轴线并垂直于抽拉旋转系统10的轴线，使经过两片凸透镜6聚焦后的两束激光通过两片平透镜8进入真空室9后落在抽拉旋转系统10的轴线上，实现对安装在抽拉旋转系统10上预制体13的熔融，进而在预制体13上形成熔区14。

分光镜2、第一反射镜3、第二反射镜4和第三反射镜5，以及凸透镜6、平透镜8的平面垂直于水平面。

分光镜2的中心距离激光器出光口为1m，与激光束成45°角，激光器1产生的激光水平通过分光镜2，后分成互相垂直的两束等质量的激光，两束激光所处平面水平。第一反射镜3中心与分光镜2中心之间的距离为1m，与经过分光镜2透射的激光夹角为45°。第二反射镜4中心位于由第一反射镜3反射的光束中心，其中心与第一反射镜3中心距离为1m，并与激光束成50°夹角。第三反射镜5中心位于由分光镜2反射的光束中心，其中心与分光镜2中心距离为1m，并与激光束成50°夹角，最终经第二反射镜4及第三反射镜5反射后的两束激光夹角为160°。

两片凸透镜6镜体的中心点分别经过第二反射镜4第三反射镜5反射的激光束中心，由两片凸透镜6镜体的中心点到两束激光交点距离通过凸透镜平移装置7能够调整，本实施例中，所述的凸透镜镜体中心点至由第二反射镜4和第三反射镜5反射的激光束的交点之间的距离为270～310mm。所选用的凸透镜6的焦距为200mm。

抽拉旋转系统10包括上夹头和下夹头，抽拉旋转系统10的轴线竖直，并且该抽拉旋转系统10的两端分别与两个电机组11固连，通过电机组11实现抽拉系统的同步运动及旋转。抽拉旋转系统10的上夹头和下夹头均为圆形杆件，并且该上夹头和下夹头外圆周的一端均有凸出的台阶，使其外形呈“T”形；在上夹头和下夹头有凸出的台阶一端的端面中心均有盲孔，该盲孔的内径略大于预制体13的外径。

预制体13的两端分别装入位于抽拉系统10上夹头和下夹头一端端面中心的盲孔内，并旋紧定位螺栓12将预制体紧固定位。预制体13与抽拉旋转系统10同轴。

Claims

1.一种获得氧化铝基三元熔体生长陶瓷组织形貌的方法，其特征在于，所述的获得氧化铝基三元熔体生长陶瓷组织形貌的方法包括以下步骤：

第三步，取定向凝固后各个试样的纵截面及横截面；各个试样的纵截面过试样的中心轴线；各个试样的横截面垂直于试样的中心轴线；对得到的多个试样的纵截面及横截面经过常规金相处理后，表面喷金；得到Al₂O₃/YAG/ZrO₂三元共晶氧化物熔体生长陶瓷在不同生长速率下的组织形貌；

所述的三元共晶氧化物是由氧化铝、氧化钇和氧化锆形成的氧化铝基三元共晶熔体生长陶瓷，并且氧化铝∶氧化钇∶氧化锆为65.8∶15.6∶12～31.7。

2.如权利要求1所述一种获得氧化铝基三元熔体生长陶瓷组织形貌的方法，其特征在于，激光束在预制体表面形成的光斑直径为3～4mm。