西工大苏海军教授团队：定向凝固共晶陶瓷组织规则化调控机制及1773K高温长时组织性能热稳定性

航空航天事业的发展对国民经济和高端装备更新升级具有重要的影响。作为航空航天飞行器的“心脏”——发动机，提高其推重比和热效率的有效措施之一是不断提高发动机涡轮前进口温度。推重比10的发动机涡轮前进口温度已达到1600~1650℃，推重比15以上的涡轮前进口温度将高于1800℃，这对高温结构材料及先进制造技术提出了严峻的考验。陶瓷基复合材料具有高熔点、高强度、耐腐蚀及耐磨等优异性能，作为超高温结构材料进入人们的视野。传统的粉末烧结法和溶胶-凝胶法、化学气相渗透法等复合工艺则不可避免地在陶瓷基复合材料组成相之间引入大量的弱结合界面以及无定形相，不利于高温力学性能及组织热稳定性的进一步提高。因此，研究和发展能够长期工作在高温氧化性环境中的超高温结构材料及其制备技术成为全球关注的热点。

Al2O3基共晶自生复合陶瓷及其定向凝固制备技术突破了传统陶瓷制备的限制，表现出优异的高温性能，具有巨大的工程应用前景和经济价值，有望用于发动机燃烧室浮壁及涡轮喷嘴叶片等部件而无需涂层及空心气冷。目前，定向凝固氧化物共晶自生复合陶瓷仍有很大的发展空间，学者们更多地关注氧化物共晶自生复合陶瓷制备技术的突破、Al2O3基小平面共晶自生复合陶瓷生长行为的研究及共晶组织的调控、脆性陶瓷材料断裂韧性的提高以及超细共晶组织高温组织稳定性的研究等方面，以期获得综合性能优异、能够在高温氧化性环境中长期服役的超高温结构材料。

近日，西北工业大学苏海军教授团队报道了激光悬浮区熔技术制备的定向凝固共晶陶瓷，从形态学和晶体学角度揭示了Al₂O₃/GAP共晶凝固组织形貌演化规律。利用规则共晶占比直观地考察了成分和凝固速率对Al₂O₃/GAP共晶组织规则化的协同作用，证实凝固速率起主导作用。明确了不同形貌Al₂O₃/GAP共晶两相之间的晶体学位向关系。系统考察了Al₂O₃/GAP共晶陶瓷的室温力学性能及组织与性能的热稳定性。Al₂O₃/GAP共晶弹性模量和最高硬度分别为379±16GPa和18.0±0.5GPa，1500°C空气中热暴露500h后，共晶试样的组织粗化速率小于0.003μm/h，断裂韧性基本保持不变，具有良好的组织与性能热稳定性。相关工作以题为“Comprehensive microstructure regularization mechanism and microstructure–property stability at 1773 K of directionally solidified Al₂O₃/GdAlO₃ eutectic ceramic composite”的研究论文发表在Composites Part B。

图1 不同成分Al₂O₃/GAP共晶横截面组织: (a1-a3) AG20, (b1-b3) AG21, (c1-c3) AG25.

图1所示，对比不同成分和凝固速率下Al₂O₃/GAP共晶的显微组织发现提高凝固速率促进了Al₂O₃/GAP共晶由非规则共晶形貌向规则共晶形貌的演化，增大Al₂O₃相的体积分数促进了规则共晶组织的形成。相较棒状规则共晶形貌而言，复杂规则结构共晶形貌通常在更高的凝固速率下形成。Al₂O₃含量增多使得复杂规则组织中Al₂O₃脊柱变长，Al₂O₃脊柱周围形成均匀细小的棒状结构共晶组织，其共晶间距约为0.3μm，溶质横向扩散距离较短，有利于共晶组织稳态生长，共晶胞尺寸增大。

图2 不同成分Al₂O₃/GAP共晶陶瓷的共晶间距与凝固速率的关系: (a) AG21, (b) AG22, (c) AGE, (d) AG25.

低速下温度梯度对共晶间距的影响较大，高的温度梯度使得组织细化，采用GK非规则共晶生长模型较好地表征了共晶间距与凝固速率的关系，理论预测值与实验结果吻合，如图2所示。对比不同形貌组织的共晶间距发现，非规则共晶组织的共晶间距约为规则共晶组织的1.6-1.8倍，随凝固速率的增大，不同成分Al₂O₃/GAP共晶中均发生显著的组织规则化现象。成分对共晶间距的影响则略小，不同成分下非规则共晶组织和规则共晶组织的共晶间距变化分别在25%和18%范围内。

图3所示棒状规则共晶组织中，Al₂O₃和GAP共晶相界面洁净，不存在玻璃相，相界面结合牢固，共晶两相之间形成特定的晶体学位向关系：(10-1-2)Al₂O₃//(010)GAP，(0-11-2)Al₂O₃//(10-1)GAP。棒状规则共晶Al₂O₃/GAP相界面的晶格错配度较象形文字非规则共晶的略低。

图3 棒状结构Al₂O₃/GAP共晶的透射电镜分析: (a) Al₂O₃/GAP共晶TEM图像，(b) GAP相电子衍射花样，(c) Al₂O₃相电子衍射花样, (d) Al₂O₃/GAP界面HRTEM图像,(e, f) (1012)Al₂O₃和(020)GAP晶面的傅立叶滤波图像.

图4  不同成分和凝固速率下Al₂O₃/GAP共晶中规则共晶组织的占比.

图4所示为规则共晶占比，研究发现，凝固速率对非规则-规则共晶形貌转变起主导作用，成分对共晶组织规则化的影响主要体现在16-200μm/s凝固速率下，Gd₂O₃含量的减小使得Al₂O₃体积分数增大，促进了规则共晶组织的形成。通过成分和凝固速率的调控可以实现Al₂O₃/GAP共晶组织形貌的控制：低速下(v<16μm/s)可以获得Al₂O₃/GAP非规则共晶组织，高速下(v>200μm/s)可以获得规则共晶组织；调控Gd₂O₃含量可以促进或抑制规则共晶组织的形成。

图5 不同凝固速率下获得的Al₂O₃/GAP共晶在1500℃热暴露前后的显微组织:(a1-a4) 2μm/s, (b1-b4) 16μm/s, (c1-c4) 50μm/s, (d1-d4) 100μm/s.

图5为共晶陶瓷1500^°C空气中长时间热暴露后组织形貌，凝固速率为2μm/s时，Al₂O₃/GAP共晶组织随着热暴露时长的增加而略有长大，热暴露前后共晶组织形态变化较小，均为象形文字结构非规则共晶组织，质量仅增长了0.3%。说明Al₂O₃/GAP共晶陶瓷具有优异的组织热稳定性和高温抗氧化性。

图6 凝固速率和成分对Al₂O₃/GAP共晶陶瓷的维氏硬度和断裂韧性的影响: (a)凝固速率的影响, (b-c)成分的影响.

Al₂O₃/GAP共晶体系的硬度随凝固速率的增大而增大，凝固速率由2μm/s增至100μm/s时，组织细化，Al₂O₃/GAP共晶陶瓷的硬度由16.4±0.5GPa增加至18.0±0.5GPa，断裂韧性基本不变，平均值为3.6±0.3MPa·m^1/2。

该研究综合分析了激光悬浮区熔定向凝固技术制备的Al₂O₃/GAP二元共晶自生复合陶瓷，深入研究Al₂O₃基小平面共晶的生长行为、组织演化规律以及材料性能，为新一代高温结构材料的研发和应用提供数据参考和技术支持。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2023.110647

本文由作者供稿

作者简介：

苏海军，西北工业大学材料学院教授、博士生导师。国家优秀青年科学基金获得者，中国有色金属创新争先计划获得者，入选国家首批“香江学者”计划，陕西省“青年科技新星”、陕西高校青年创新团队学术带头人和陕西重点科技创新团队带头人。长期从事先进定向凝固技术与理论及新材料研究研究，涉及高温合金、超高温复合陶瓷及结构功能一体化复合材料等。主持包括国家自然基金重点、优青等6项国家基金在内的30余项国家及省部级重要科研项目，发表SCI论文160余篇。获授权中国发明专利50项以及1项美国发明专利。参编专著3部。获陕西高校科学技术研究优秀成果特等奖、陕西省科学技术一等奖、陕西省冶金科学技术一等奖、全国有色金属优秀青年科技奖和陕西青年科技奖各1项。