高频感应区熔法制备Al2O3/Er3Al5O12/ZrO2共晶陶瓷的研究

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定向凝固工艺制备的氧化物共晶陶瓷在超高温环境中(1600?C)具有优异的力学性能和抗氧化,抗烧蚀性能;其微观组织由共晶生长方式控制,同时受各晶相的性质以及凝固参数影响。采用高频感应区熔法制备了Al2O3/Er3Al5O12(EAG)/ZrO2三元共晶陶瓷。研究了样品的物相组成、生长平面、力学性能、以及凝固速率对微观组织的影响。主要结论如下所示:首先,由Al2O3,Er2O3及ZrO2组成的混合粉末制备预烧结体。随着烧结温度的升高,晶相由体积较小的颗粒逐渐转变为体积较大的层片,样品的气孔率不断降低。当烧结温度低于1350°C时,随着烧结温度的升高,样品的密度不断升高;当烧结温度高于1350°C时,随着烧结温度的升高,样品的密度逐渐降低;这可能是由于部分Al2O3相和Er2O3相在13501500°C范围内反应生成了密度较低的EAG相;而且温度越高,该相比例越大。将棒状预制体在1500°C下保温4 h,可以制备出一定致密度的预烧结体。定向凝固共晶陶瓷由Al2O3,EAG及ZrO2相组成。在低凝固速率下,微观组织为共晶相相互缠绕的网络状结构。随着凝固速率的增加,各共晶相尺寸不断降低,微观组织细化。共晶间距和凝固速率之间的关系满足公式?2?=25.91。样品的硬度和断裂韧性随着凝固速率的增加有略微的增长,分别可以达到17.62GPa和5.03 MPa·m-1/2,其平均值分别是具有相同组分预烧结陶瓷的1.98和2.44倍。Al2O3/EAG/ZrO2三元共晶陶瓷的硬度比Al2O3/Er3Al5O12二元共晶陶瓷低18.31%,主要是由于共晶组成中添加的ZrO2相硬度较低;但断裂韧性比Al2O3/EAG二元共晶陶瓷高88.40%,主要是由于ZrO2相的相变增韧。随着凝固速率的增加,晶相的分布改变,其中最明显的是ZrO2相从分布在Al2O3相内部、EAG相内部及两相界面位置转变为分布在Al2O3相内部、以及Al2O3相和EAG相的界面位置。最后,几乎全部分布在Al2O3相和EAG相的界面位置。上述晶相分布的改变可以从动力学过冷和熔化熵的角度解释。当凝固速率为4.16μm/s时,不稳定的规则微观组织在样品内部存在。当凝固速率为13.89μm/s时,胞状或树枝状微观组织在样品内部存在。快速凝固时,微观组织中可以观察到内部裂纹和无定形相;同时,由于温度梯度的存在,晶相在横向和纵向上均具有生长方向。
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