西工大材料學(xué)院蘇海軍教授團隊在超高溫氧化物共晶復(fù)合陶瓷增材研究方面取得重要進展

來源：材料微生活

超高溫氧化物共晶復(fù)合陶瓷具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能和環(huán)境性能，是新一代1400℃以上高推比航空航天發(fā)動機富氧環(huán)境長時用熱端構(gòu)件的重要候選材料。面向航空航天跨代次、高推比發(fā)動機等戰(zhàn)略裝備對1400℃以上長壽命輕質(zhì)超高溫結(jié)構(gòu)陶瓷的迫切需求，材料學(xué)院蘇海軍教授團隊近年來針對高熔點(>1700℃)氧化物共晶陶瓷均質(zhì)熔化/凝固技術(shù)不成熟、凝固缺陷與組織調(diào)控難、以及強韌性不匹配等問題，堅持原始創(chuàng)新和持續(xù)攻關(guān)，取得了系列重要進展和原創(chuàng)突破。發(fā)明了系列具有自主知識產(chǎn)權(quán)的復(fù)合陶瓷超高溫度梯度定向凝固與激光增材制造技術(shù)及裝備，發(fā)展了系列寬溫域、高承溫能力的低成本超高溫氧化物共晶陶瓷新體系，實現(xiàn)了組織、晶體取向與性能的協(xié)同調(diào)控。相關(guān)成果近期集中發(fā)表在Nano Lett、Addit Manuf、Compos Part B-Eng、J Mater Sci Technol、J Eur Ceram Soc和J Adv Ceram等材料領(lǐng)域權(quán)威學(xué)術(shù)期刊上。

激光超高溫度高梯度定向凝固與陶瓷增材制造技術(shù)
通過對稱窄熔區(qū)聚焦、無約束懸浮熔煉及液態(tài)金屬強制冷卻設(shè)計，發(fā)明了具有自主知識產(chǎn)權(quán)簡單、高效的難熔材料激光懸浮區(qū)熔超高溫度梯度定向凝固方法，溫度梯度達到10000K/cm，高于文獻報道近一個數(shù)量級，實現(xiàn)了系列全致密、表面光潔、無裂紋共晶陶瓷的快速凝固制備(圖1a)，揭示了熱力耦合作用下氣孔、偏析、裂紋等缺陷的形成機制。


在此基礎(chǔ)上，自主設(shè)計研發(fā)了具有國際先進水平的復(fù)合陶瓷材料一步成形激光增材制造裝備(圖1b)，包括激光同軸送粉近凈成形系統(tǒng)(LDED，圖1(b1-b2))和激光選擇性熔化成形系統(tǒng)(LPBF，圖1(b3))，并基于逐層打印過程溫度場與應(yīng)力場分析、沉積層結(jié)構(gòu)及演變規(guī)律的理論分析，建立了氧化鋁基共晶陶瓷的連續(xù)穩(wěn)定成形理論判據(jù)，實現(xiàn)了一步近凈低缺陷快速成形(圖1c)。例如，一步打印成形了國際文獻報道的最長尺寸(直徑6mm，長度410mm)、高致密(~99%)、高長徑比(>100)兼具超細共晶組織(~88nm)的氧化物共晶陶瓷，無需高溫?zé)�結(jié)，表面精度達到100微米。上述工作在Compos Part B-Eng、Addit Manuf和J Mater Sci Technol等權(quán)威期刊上發(fā)表高質(zhì)量論文12篇。

圖1. (a)氧化物共晶陶瓷高梯度定向凝固方法：(a1)超高溫度梯度激光懸浮技術(shù)；(a2)激光懸浮區(qū)熔共晶陶瓷試棒；(a3)定向凝固大尺寸共晶陶瓷；(b)激光3D打印成形設(shè)備：(b1-b2)激光直接定向能量沉積設(shè)備及打印過程；(b3)激光粉末床熔融設(shè)備示意圖，(c)激光3D打印成形試樣(c1-c4)及基于光固化3D打印的復(fù)雜構(gòu)件(c5-c9)

高熔化熵氧化物共晶陶瓷組織轉(zhuǎn)變及晶體學(xué)取向調(diào)控

通過研究不同體系高熔化熵小平面共晶陶瓷的凝固組織演變(圖2a-b)，建立了小平面共晶液固界面曲率過冷模型，獲得了共晶特征尺度與凝固參數(shù)的定量關(guān)系，在較寬成分和凝固速率范圍內(nèi)成功預(yù)測了共晶共生區(qū)(圖2c)，拓展了共晶陶瓷的成分設(shè)計區(qū)間，實現(xiàn)了多元復(fù)相共晶陶瓷凝固組織的均細化調(diào)控。在此基礎(chǔ)上，探明了高熔化熵氧化物共晶陶瓷共生生長行為，發(fā)現(xiàn)了非規(guī)則共晶形態(tài)轉(zhuǎn)變的普適規(guī)律�；�于籽晶誘導(dǎo)與動力學(xué)條件相結(jié)合，從形態(tài)學(xué)和晶體學(xué)角度揭示了小平面共晶非規(guī)則-規(guī)則轉(zhuǎn)變的重要機制(圖2d)，闡明了強各向異性小平面共晶的生長取向競爭關(guān)系與低能界面結(jié)構(gòu)調(diào)控機理(圖2e-f)，實現(xiàn)了大尺寸(直徑30mm，長度120mm，致密度99.6%)共晶陶瓷的晶體學(xué)織構(gòu)控制(取向差小于2.5°)。上述工作在J Eur Ceram Soc、Addit Manuf和J Mater Sci Technol等權(quán)威期刊上發(fā)表高質(zhì)量論文5篇。

圖2. (a)高熔化熵氧化物共晶陶瓷定向凝固組織形態(tài)轉(zhuǎn)變及規(guī)則化特征，(b)3D打印非平衡快速凝固組織特征；(c)共晶共生區(qū)預(yù)測和實驗結(jié)果驗證；(d)層片-棒狀組織規(guī)則化轉(zhuǎn)變和共存區(qū)預(yù)測，(e)籽晶誘導(dǎo)下共晶晶體學(xué)取向競爭演變，(f)不同相界面關(guān)系下界面錯配模擬和計算

氧化物共晶陶瓷力學(xué)及功能特性

通過工藝、組織及成分的系統(tǒng)優(yōu)化，制備的Al2O3/YAG/ZrO2共晶陶瓷壓縮強度和抗彎強度分別達到2.6GPa和2.7GPa；Al2O3/YAG共晶陶瓷抗彎強度從室溫至1600℃基本保持不下降(280MPa~320MPa)，實現(xiàn)了超高溫多元復(fù)相共晶陶瓷組織和性能的協(xié)同調(diào)控。具有微納米結(jié)構(gòu)的共晶陶瓷在1500℃空氣中熱暴露300h后，組織粗化速率小于0.002μm/h(圖3a-b)，解決了長期困擾微納米結(jié)構(gòu)陶瓷高溫組織易粗化的國際性難題。原位孔隙生長機制引導(dǎo)基體和孔隙的連續(xù)耦合生長，獲得共格/半共格強結(jié)合相界面(圖3c)，當(dāng)孔隙率為34%，Al2O3/YAG/ZrO2共晶陶瓷室溫彎曲強度為497MPa(圖3d)，在1500℃下依然達到324MPa，刷新了國際多孔陶瓷強度紀(jì)錄，是文獻報道多孔陶瓷強度最高水平的2倍。

定向凝固Al2O3/YAG共晶陶瓷在1300℃下經(jīng)CMAS熔鹽腐蝕32小時后，腐蝕滲透厚度控制在64μm以內(nèi)，溶解-再沉淀后形成致密的反應(yīng)層有效了阻止CMAS的滲透(圖3e)，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗高溫極端環(huán)境腐蝕特性。通過Ce3+和Cr3+共摻雜(圖3f)，發(fā)現(xiàn)材料的發(fā)光效率和顯色指數(shù)大幅提高(~116.48 lm/W；Ra=90)，且隨溫度升高共晶熒光陶瓷具有良好的熱穩(wěn)定性，并獲得了性能優(yōu)異、結(jié)構(gòu)功能一體化的Al2O3/YAG共晶熒光陶瓷，在LED及激光等高功率照明領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。此外，制備的Al2O3/ZrO2共晶陶瓷具有優(yōu)異的生物特性，揭示了抗老化和細胞增殖機理，在人工牙齒、骨修復(fù)等生物醫(yī)用領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。上述工作在Nano Lett、Addit Manuf、J Eur Ceram Soc、J Adv Ceram和J Mater Sci Technol等權(quán)威期刊上發(fā)表高質(zhì)量論文11篇。

圖3. (a)氧化物共晶陶瓷凝固組織粗化速率，(b)熱暴露前后硬度、斷裂韌性及室溫到高溫(1600oC)的抗彎強度、(c)共格/半共格強結(jié)合相界面，(d)不同孔隙率下多孔共晶陶瓷抗彎性能；(e)抗CMAS腐蝕性能，(f)熒光陶瓷的發(fā)光性能