激光区熔定向凝固Al2O3／Y3Al5O12(YAG)共晶的组织与断裂韧性

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第ｌ５卷第６期　材料科学与工艺　ｖｏＬｌ５　Ｎｏ．６　２　０　０　７年ｌ２月　ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ　ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＤｅＣ．，２００７　激光区熔定向凝固Ａｌ２　ｏ３／Ｙ３　Ａｌ５　ｏ１２（ＹＡＧ）　日日　日　的组织与断裂韧性　苏海军，张　军，刘　林，傅恒志　（西北工业大学凝固技术国家重点实验室，陕西西安７１００７２，Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｈｊｎｐｕ＠ｙａｈｏｏ．ｅｏｍ．ｅｎ）　摘要：采用激光区熔高温度梯度快速定向凝固技术从熔体中直接制备ＡＩ：Ｏ，／Ｙ，ＡＩ　Ｏ，：（ＹＡＧ）共晶自生复合　陶瓷，以研究其在超高温度梯度（１．０　Ｘ１０　Ｋ／ｍ）下的快速凝固组织特征及与激光工艺参数的关系，并对其力学　性质进行分析．研究结果表明：凝固组织强烈地受激光扫描速度与功率密度的影响，当二者匹配时，ＡＩ　Ｏ　相和　Ｙ，ＡＩ　Ｏ。：（ＹＡＧ）相呈现均匀一致，连续分布的层状耦合共晶结构，共晶间距细小（１～２　），且随扫描速度的　增大逐渐减小；所制备的ＡＩ：Ｏ，／Ｙ，ＡＩ　Ｏ，：（．ＹＡＧ）共晶陶瓷硬度高达１９．５　ＧＰａ，断裂韧性达到３．６　ＭＰａ・Ｅｌｉ　．　关键词：ＡＩ：Ｏ，／Ｙ，ＡＩ　Ｏ。：（ＹＡＧ）；共晶自生复合陶瓷；激光区熔　中图分类号：ＴＢ３３２；ＴＦ１２５．４　．２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００５—０２９９（２００７）０６—０７４１—０５　Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｆｒａｃｔｕｒｅ　ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ　ｏｆ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｌｙ　ｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄ　Ａｌ２ｏ３／Ｙ３Ａｌ５ｏｌ２（ＹＡＧ）　ｅｕｔｅｃｔｉｃ　ｂｙ　ｌａｓｅｒ　ｚｏｎｅ　ｍｅｌｔｉｎｇ　ＳＵ　Ｈａｉ－ｊｕｎ，ＺＨＡＮＧ　Ｊｕｎ，ＬＩＵ　Ｌｉｎ，ＦＵ　Ｈｅｎｇ－ｚｈｉ　（Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｓｏｌｉｄｉｉｆｃａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｅａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　Ｘｉ’ａｌｌ　７１００７２，Ｃｈｉｎａ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｈｊｎｐｕ＠ｙａｈｏ．ｅｏｍ．ｅｎ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡＩ２　０３／Ｙ３　ＡＩ５　０ｌ２（ＹＡＧ）ｅｕｔｅｃｔｉｃ　ｃｅｒａｍｉｃ　ｗａｓ　ｐｒｅｐａｒｅｄ　ｆｒｏｍ　ｍｅｌｔ　ｂｙ　ｌｓａｅｒ－ｚｏｎｅ－ｍｅｌｔｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｄｉｒｅｃ－　ｔｉｏｎａｌ　ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｔｏ　ｓｔｕｄｙ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｅｕｔｅｃｔｉｃ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｐａ－　ｒａｍｅｔｅｒｓ，ａｎｄ　ｉｔｓ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　Ｗａｓ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ　ａｓ　ｗｅｌ１．Ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｒａｔｅ　ｎａｄ　ｐｏｗｅｒ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｓｔｒｏｎｇｌｙ　ａｆｆｅｃｔ　ｔｈｅ　ｅｕｔｅｃｔｉｃ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ａｄｊｕｓｔｅｄ　ｐｒｏｐｅｒｌｙ，　ｔｈｅ　ｂｉｎａｒｙ　ＡＩ２　Ｏ３／ＹＡＧ　ｈａｓ　ａ　ｕｎｉｆｏｒｍ　ａｎｄ　ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ　ｌａｍｅｌｌａ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｉｎ　ｗｈｉｃｈ　ｓｉｎｇｌｅ－ｃｒｙｓｔｌａ　ＡＩ２　Ｏ３　ｎａｄ　ｓｉｎｇｌｅ－ｃｒｙｓｔｌａ　ＹＡＧ　ａｒｅ　ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｌｙ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ　ｒｅｔｉｃｕｌａｒｌｙ　ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ａｎｄ　ｆｉｎｅｌｙ　ｃｏｕｐｌｅｄ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｇｒａｉｎ　ｂｏｕｎｄａｒｉｅｓ，ｃｏｌｏｎｉｅｓ　ａｎｄ　ａｍｏｒｐｈｏｕｓ　ｐｈａｓｅｓ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ．Ｅｕｔｅｃｔｉｃ　ｓｐａｃｉｎｇ　ｉｓ　ｏｎｌｙ　ａｒｏｕｎｄ　１—２　ｔｕｎ　ｎａｄ　ｉｓ　ｄｉｍｉｎｉｓｈｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｒａｔｅ’Ｓ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｈａｒｄｎｅｓｓ　ｒｅａｃｈｅｓ　１９．５　ＧＰａ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｒａｃ－　ｔｕｒｅ　ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ　ａｔ　ｒｏｏｍ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｓ　ａｔｔａｉｎｅｄ　ｆｏｒ　３．６　ＭＰａ・ｍ。　ｂｙ　Ｖｉｃｋｅｒｓ　ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ａ１２０３／Ｙ３Ａ１５０ｌ２（ＹＡＧ）；ｅｕｔｅｃｔｉｃ　ｃｅｒａｍｉｃ　ｉｎ－ｓｉｔｕ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ；ｌｓａｅｒ　ｚｏｎｅ　ｍｅｌｔｉｎｇ　随着航空航天技术的发展，材料在超高温下　的性能日益成为影响航天飞机、宇宙飞船、卫星、　及未来空天飞机性能的关键因素．推重比１０以上　收稿日期：２００５—１２—２２．　基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０１０２００４）；航空基础科　的发动机涡轮前进口温度高达１６００—１６５０　ｏＣ，而　学基金资助项目（０４Ｇ５３０４８）；高等学校博士点专项科　目前性能最好的单晶高温合金叶片最高工作温度　研基金资助项目（２００４０６９９０３５）；西北工业大学基础　仅在１１００　ｏＣ左右…．目前，地球环境和节能是人　研究基金资助项目（ＮＰＵ—ＦＦＲ—ＷＯ１８１０１）；西北工　业大学英才培养计划资助项目．　类在２１世纪亟待解决的问题，已经成为全球性问　作者简介：苏海军（１９８１一），男，博士研究生；　题．而有研究表明，如果集极端技术为一体的喷气　张军（１９６７一），男，教授，博士生导师；　式发动机和高效气体透平的热效提高１％，则每　傅恒志（１９２９一），男，教授，博士生导师，中国工程院　院士．　年全世界将节能１００００亿美元　Ｊ．因此，研制新一　维普资讯 http://www.cqvip.com 材料科学与工艺　第ｌ５卷　代高性能、高效率的超高温结构材料成为人们研　究的热点．　高温结构陶瓷是未来航空、航天发动机的　关键材料，此类材料的承载特点是有一个主应　力方向，定向组织显示出极大的优势　．上世　纪７Ｏ年代初，人们开始研究将定向凝固技术　引入共晶陶瓷的制备中并取得了可喜的成　果　．研究表明：定向凝固共晶陶瓷具有良好　的高温（甚至接近熔点）结构稳定性，消除了粉　末烧结过程中产生的孔洞和界面非晶相，提高　了材料的致密度和织构化程度，且制备工艺简　单、相界面结合牢固、组织可控性高、材料性能　各向异性强、尤其在择优生长方向上表现出优　异的室温和高温力学性能　ｊ．氧化铝一稀土系　氧化物共晶陶瓷，由于熔点高达１８００　ｏＣ以上，　且性能优越，近年来备受关注，由此发展的定　向凝固氧化物共晶陶瓷及其制备技术取得了　很大进展．研究表明　’　：定向凝固Ａ１　Ｏ，／　ＹＡＧ共晶陶瓷抗弯强度从室温到１８００　ｏＣ（熔　点１８２６　ｏＣ）均保持在３００～４００　ＭＰａ，是烧结　Ａ１　Ｏ３～５０％ＹＡＧ复合材料强度的７倍；　１７００　ｏＣ抗拉强度１６０　ＭＰａ，延伸率可达１０％，　断裂前有明显的塑性变形；空气中１７００　ｏＣ保　持１０００　ｈ，既无增重又无组织变化；１６００　ｏＣ，　ｌＯ－４／ｓ应变速率下，蠕变强度高达４３３　ＭＰａ，　为同成分烧结材料的１３倍；将其使用在航空　发动机上可大大减少冷却环节甚至无需冷却，　预计热效率比普通发动机高达３０％，并大大降　低ＮＯ　等废气的排放．　Ａ１　Ｏ　／ＹＡＧ共晶熔点高达１８２６　ｏＣ，一般定向凝　固炉难以将其熔化．激光能量高度集中的特性，使其　具备了作为定向凝固热源不仅可以实现极高的温度　而且可获得比现有定向凝固技术高得多的温度梯　度Ｌ６ｊ．激光区熔定向凝固技术具有两个重要的特征：　１）生长界面附近温度梯度高达１０６　Ｋ／ｍ，允许宽的　凝固速率范围，保证凝固界面平界面以及加工稳定　性；２）不用坩埚，无污染，加工效率高．本文采用激光　区熔定向凝固技术制备Ａ１　Ｏ，／ＹＡＧ共晶自生复合　陶瓷，考察棒状Ａ１　Ｏ，一Ｙ２Ｏ，预制体在高温度梯度，　宽凝固速率下的凝固特性，探索凝固组织与激光区　熔过程控制参数的关系，在此基础上对其室温硬度　和断裂韧陛进行了测试．　１　实　验　１．１预制体的制备　原料采用商售高纯纳米级Ａ１　Ｏ，粉末（３　Ｎ，　１５０　ｎｍ）与高纯Ｙ　Ｏ３（４　Ｎ，５０　ｎｍ）超细粉末，根据　相图（图１）按共晶成分摩尔分数Ａ１　Ｏ　／Ｙ　Ｏ　＝　８２／１８混合，加入５％～１０％左右的ＰＶＡ粘结剂　充分搅拌混合均匀．将混合好的粘质体装入设计　好的不锈钢模具中，在２５　ＭＰａ的压力下压制成　７　ｍｍ×３０　ｍｍ的棒状预制体柱锭．　＼　赠　Ｙ２ｏ３摩尔分数／％　图１　Ａ１２Ｏ３一Ｙ２０３体系相图　１．２预制体的烧结　将预先制备的棒状预制体柱锭置于真空烧　结炉中，氩气保护气氛下以６００　ｏＣ／ｈ的升温速　率进行加热，温度达到１５００　ｏＣ后保温２　ｈ，然　后随炉冷却，从而获得具有一定强度致密的棒　状预制体柱锭．　１．３激光区熔定向凝固　实验采用ＲＯＦＩＮ—ＳＩＮＡＲ８５Ｏ型５　ｋＷＣＯ２连　续激光器（ＲＯＦＩＮ—ＳＩＮＡＲ公司），配备ＬＭＰ一４０８　型５轴４连动四坐标数据工作台．通过调节激光输　出功率和光斑离焦量，获得具有一定光斑直径和功　率密度的激光束．实验前，将工作室抽真空至一　０．１２　ｋＰａ，并充人一定量的氩气保护防止氧化，试　样在工作台的带动下沿柱锭轴向进行定向运动，使　激光束以一定的扫描速率定向扫过试样并将其充　分熔透，由于熔区尺寸非常小，在表面张力的约束　下，熔体依然保持原来的棒状．采用ＷＦＨ一６６型红　外测温仪对熔区测温，温度为（２１００±１００）ｏＣ．在固　液界面前沿，熔体迅速激冷沿轴向凝固，从而形成　表面光滑内部致密的棒状Ａ１　Ｏ　／ＹＡＧ共晶自生复　合陶瓷．　１．４断裂韧性测试　采用压痕技术测试获得的凝固共品陶瓷试样　在室温下的硬度，并计算断裂韧性，见图２．压痕　技术通常使用的是显微压痕法（ＭＩ），即采用　Ｖｉｅｋｅｒｓ压头在材料的表面压制压痕并使其开裂，　根据压痕断裂力学理论，在这一开裂过程中，压痕　维普资讯 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第６期　苏海军，等：激光区熔定向凝固Ａ１：Ｏ３／Ｙ３Ａ１　Ｏ　：（ＹＡＧ）共晶的组织与断裂韧性　．７４３．　裂纹扩展的唯～驱动力是压痕附近材料弹塑性变　形失配而导致的残余应力，处于平衡状态的压痕　裂纹尖端的残余应力场强度ＫＲ在数值上等于材　料的断裂韧性Ｋ　计算公式为［５　Ｋ【ｃ＝０．０１６（Ｅ／Ｈｙ）　Ｐ／ｃ　．　（１）　Ｈｖ＝Ｐ／　＝１．８５４４Ｐ／ｄ　．　（２）　式中，Ｅ和Ｈ　分别为材料的弹性模量（ＧＰａ）和维　氏硬度（ＧＰａ），Ｐ为压痕压制载荷（Ｎ），ｃ为压痕　裂纹半长（ｍｍ），口为压痕半对角线长（ｍｍ），　为压痕凹面面积（ｍｍ　），ｄ为压痕对角线长度的　平均值（ｍｍ）．实验压制载荷为９．８　Ｎ，保载时间　１５　Ｓ．用光学显微镜观察压痕表面及裂纹扩展情　况，并精确测量压痕尺寸及裂纹扩展长度，根据式　（１），（２）分别计算材料的硬度和断裂韧性．制得　的凝固共晶试样均采用常规金相技术处理．　ＺＣ　一一１＇．　一，ｒ　图２　Ｖｉｃｋｅｒｓ压痕裂纹构型不意图　利用ＪＳＭ一５８００型扫描电子显微镜（ＳＥＭ）　考察凝固组织特征以及Ｌｉｎｋ—ＩＳＩＳ型能谱（ＥＤＳ）　仪进行成分分析；利用ＲＩＧＡＫＵＭＳＧ一１５８型Ｘ　射线衍射仪（ＸＲＤ）进行相组成分析，并测定相体　积分数；利用Ｍ—Ｔｅｓｔｅｒ型Ｖｉｃｋｅｒｓ硬度机测试硬　度并计算断裂韧性．　２结果与讨论　２．１激光区熔工艺研究　首先，预置体的制备对后续激光区熔实验起　着关键的作用，其中预置体的密度是一个重要的　因素．激光区熔过程是一个急剧加热与冷却的近　平衡或非平衡过程，与周围介质主要通过热扩散　与热辐射进行热量传递．当预置体致密度接近理　论密度时，激光照射时预置体在瞬间加热至极高　温度并冷却，而周围介质温度较低，加之陶瓷本身　的热导率较低，热量集中熔区无法及时扩散将导　致预置体开裂甚至炸裂，致使实验无法进行；当预　置体密度太低时，激光照射时试样收缩严重，熔体　不能得到及时补缩致使表面塌陷形成凹槽甚至被　切开．因此，需要选择一个比较合适的密度．在本　实验中，Ａ１　０　／ＹＡＧ烧结体的密度平均为　２．３　ｇ／ｃｍ　，大约是理论密度的５６％．　为获得沿扫描方向连续的定向凝固组织，必须　保证熔池具有一定的形状，以获得与扫描方向一致　的温度梯度．在熔池凝固过程中，凝固界面前沿曲　率导致凝固方向和凝固速率随距离试样表面的距　离而不断变化，凝固方向由顶部平行于试样表面到　底部与试样表面相垂直．在凝固区，凝固速率　（凝　固界面在法线上的推进速度）与激光扫描速度　具　有：Ｒ＝　×ｃｏｓ０，　为尺与　之间的夹角．因此，在激　光区熔定向凝固实验中，功率密度和扫描速度是影　响共晶组织的两个重要控制参数，二者的匹配对微　观组织起着决定性的影响，如图３所示．当功率密　度太高时，试样瞬间融化并凝固，溶质原子来不及　扩散，且功率密度太高时，试样烧损严重，有可能使　试样成分偏离共晶点，因此，难以得到共晶组织．由　于氧化物陶瓷对激光的吸收率高（＞６０％），因此，　需要较低的功率密度．扫描速度的大小直接影响冷　却速率的高低，从而影响共晶组织的形成与特征参　数．扫描速度增加，熔池变浅，熔池温度梯度变大，　当扫描速度超过一定临界值时，则使得熔池凝固远　偏离平衡凝固，使溶质原子不能充分扩散，形成成　分微观偏析，组织不均匀；扫描速度下降，意味着激　光与熔池的交互作用时间增长，即熔池寿命增加，　有助于通过扩散在更大程度上使得成分梯度下降，　有助于成分均匀化，因此，应尽可能采取较小的扫　描速度．大量探索性实验表明，在真空充氩保护环　境下，当激光功率为１９０—２２０　Ｗ，光斑直径４　ｍｌｎ，　扫描速度０．０４—２．０　ｌｎｍ￣ｓ时，制备得到表面光滑，　内部致密，无宏观孔洞和裂纹的　ｍｌｎ×２５　ｍｌｎ棒　状共晶试样．　可控工艺参数：　凝因过程控制　凝固组织：　功率密度　参数：　凝固组织形态　功率Ｐ　凝固方向角　—　—　显微结构特征　光班直径Ｄ　凝固速率Ｒ　尺寸（共晶间　扫描速度　温度梯度Ｇｎ　距等）　工僻　≤面吸系数ａ　图３激光区熔定向凝固过程中主要控制参数　２．２微观组织分析　图４（ａ）是同成分的烧结微观组织，图４（ｂ）（ｅ）　（ｄ）是不同扫描速率下的预制烧结体激光区熔微观组　织．由图４并结合能谱（ＥＤＳ）及图５的ＸＲＤ谱可知　激光　￡熔定向凝固Ａ１　０　／ＹＡＧ共晶自生复合陶瓷由　无规则均匀连续分布的Ａ１：０　相（黑色区域）和ＹＡＧ　相（灰色区域）两相组成，而同成分烧结体则呈现典型　的多晶组织，有明显的晶界存在，且与同成分烧结试样　相比，激光　僦向凝固Ａ１　０３／ＹＡＧ共晶自生复合陶　瓷的相组成发生很大变化　，没有其他相如Ｙ２　Ｏ９　维普资讯 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