氧化铝基共晶陶瓷的定向凝固生长及其力学性能研究

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1、博士学位论文氧化铝基共晶陶瓷的定向凝固生长及其力学性能研究GROWTHANDMECHANICALPROPERTIESOFALUMINA-BASEDEUTECTICCERAMICSBYDIRECTIONALSOLIDIFICATIONMETHOD聂颖哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：O78学校代码：10213国际图书分类号：548密级：公开工学博士学位论文氧化铝基共晶陶瓷的定向凝固生长及其力学性能研究博士研究生：聂颖导师：张明福教授/博导申请学位：工学博士学科：航空宇航科学与技术所在单位：航天学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIn

2、dex:O78U.D.C:548DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringGROWTHANDMECHANICALPROPERTIESOFALUMINA-BASEDEUTECTICCERAMICSBYDIRECTIONALSOLIDIFICATIONMETHODCandidate：YingNieSupervisor：Prof.MingfuZhangAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：AerospaceScienceandTechnologyAffiliation

3、：SchoolofAstronauticsDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要航空航天技术的迅猛发展迫切需求具有高推重比、高效率和高可靠性的航空涡扇发动机，而提高其内部的涡轮前进口温度将有效地提高发动机的推力和效率，但服役环境（高温、高负荷、复杂应力和热冲击等）的愈加苛刻，对结构材料的性能要求也越来越高。氧化铝基复合共晶陶瓷以其轻质、高熔点、高比强度、优异的高温抗氧化性能和热稳定性等优点，能够减轻发动机涡轮叶片的质量和降低涡轮叶片的冷气量，并可在高温

4、氧化环境中长期工作，日益受到国内外研究人员的广泛重视。定向凝固制备技术在改进传统的粉末烧结法缺点的基础上，将过热的均匀熔体沿特定方向的温度梯度按一定速度非均匀冷却，使熔体依次结晶形成共晶组织。彻底消除了两相之间的非晶相界面，各组分之间以单晶的状态交互存在，致密度达到98%以上，保证了材料高温力学性能的稳定性。而目前的制备方法所得的共晶尺寸小、利用率较低，仅能达到实验室理论研究的要求，无法满足实际应用的需求。本文针对上述问题，基于成熟的单晶生长经验和设备，将水平定向凝固法（HDS法）引入到大尺寸Al2O3/YAG共晶陶瓷的制备中。通过改进温场设计和修正生长参数，提升共晶品质。探讨了

5、在生长速率和籽晶的调控下，共晶的凝固组织结构、晶体学取向、热学性能、力学性能和热震性能的影响变化规律。同时，涡轮叶片在启动和停机时会经历快速的温度变化，引起热冲击反应。针对氧化铝基共晶陶瓷抗热震性能研究的不足，本文采用激光区熔法（LFZ法）制备室温断裂强度差异较大的Al2O3/YAG、Al2O3/EAG二元和Al2O3/EAG/ZrO2三元共晶陶瓷，详细地分析了影响其抗热震温差的因素，为后续的应用奠定基础。采用水平定向凝固法生长出大尺寸舟形板状的Al2O3/YAG共晶陶瓷，尺寸为(145±5)mm×(90±5)mm×(25±5)mm，生长速率为10mm/h和20mm/h，使用的片

6、状籽晶是分别沿垂直于生长方向（垂直籽晶）和平行于生长方向（平行籽晶）从50mm/h-Al2O3/YAG共晶中截取出来的。共晶在真空氛围下生长，1500°C×25h的退火处理既可消除氧空位，又释放了残余热应力，对于提高共晶的结构完整性和力学强度必不可少。同时，长时间高温(1700°C×100h)热处理后，共晶无晶粒长大、粗化现象，热稳定性好。根据实验要求，分别沿垂直于生长方向（T方向）和平行于生长方向（L方向）制备试样。水平定向凝固法制备的Al2O3/YAG共晶的微观形貌显示出两相呈无晶界的三维互穿交错分布，10mm/h和20mm/h的共晶层间距几乎无差别，50mm/h的共晶层间距

7、明显减小。两相的择优取向会部分地从籽晶中复制，但由于此二元体系遵-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文循小晶面-小晶面的不规则生长模式，择优取向关系复杂，特别是立方晶系的YAG相。其中，平行籽晶共晶或L方向试样的择优取向相对清晰。水平定向凝固法制备的Al2O3/YAG共晶陶瓷的维氏硬度、断裂韧性和杨氏模量不随共晶参数的不同而明显地改变。裂纹传播过程中通过裂纹捕获、偏转和分叉等消耗其扩展动能，起到增韧的效果。不同的HDS-Al2O3/YAG共晶可保持其稳定的弯曲强度直至1200°C或