[發(fā)明專利]一種Al2O3/ZrO2共晶陶瓷的燃燒合成熔鑄的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310213766.3
• 申請(qǐng)日: 2013-05-31
• 公開（公告）號(hào): CN103304222A
• 公開（公告）日: 2013-09-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄭永挺;楊攀;赫曉東
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): C04B35/10
• 分類號(hào): C04B35/10;C04B35/48;C04B35/622;C04B35/64
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標(biāo)事務(wù)所 23109
• 代理人: 韓末洙

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種共晶陶瓷的制備方法，特別涉及一種Al₂O₃/ZrO₂共晶陶瓷的燃燒合成熔鑄的方法。

背景技術(shù)

Al₂O₃/ZrO₂共晶陶瓷以其高的強(qiáng)度、良好的韌性、優(yōu)異的高溫力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性和低的裂紋敏感度，可應(yīng)用于高溫環(huán)境或高溫氧化性條件下的材料。

共晶陶瓷的常用制備方法主要有以下幾種：布里奇曼法、激光加熱浮流區(qū)法、微拉法、定邊喂膜法和燃燒合成法。

布里奇曼法(坩堝下降法)的原理是將反應(yīng)物放入坩堝中，再將坩堝放入裝有感應(yīng)線圈的爐膛中。通過感應(yīng)線圈將爐膛加熱到反應(yīng)物熔點(diǎn)以上，讓坩堝在爐膛中慢慢下降，使坩堝中的物料熔化。然后，隨著坩堝的下降，底部率先脫離加熱區(qū)，當(dāng)溫度降到物料的熔點(diǎn)以下后，開始結(jié)晶。對(duì)于不同的材料，可以采用電阻爐或者感應(yīng)加熱。布里奇曼法的優(yōu)點(diǎn)是：(1)可以制備大尺寸的塊體材料；(2)可以制備具有復(fù)雜形狀的試樣。缺點(diǎn)有：(1)生長(zhǎng)速度慢；(2)生產(chǎn)成本較高；(3)溫度梯度較小，各共晶相之間距離較大，影響組織的性能。

激光加熱浮流區(qū)法(又稱LZF法)以激光作為熱源，能量高度集中，產(chǎn)生極高的溫度熔化陶瓷材料。與傳統(tǒng)的制備技術(shù)相比，激光加熱法具有更高的溫度梯度，可達(dá)到(10⁴K/cm)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是：溫度梯度高、無污染、無需坩堝、生長(zhǎng)速度快等。熔點(diǎn)較高的物質(zhì)也能夠快速熔化并冷卻，得到的材料組織較細(xì)，使材料的性能得到大幅的提高。根據(jù)激光的掃描速率不同，熔化區(qū)域共晶組織的微觀機(jī)構(gòu)會(huì)有很大的不同，可以借此控制材料的性能。但受激光光斑直徑的影響，其制品尺寸也受限制。

微拉法(μ-PD法)與布里奇曼法一樣是在坩堝中加熱，不同的是微拉法的坩堝底部有一孔洞。當(dāng)坩堝內(nèi)的材料熔化以后，熔體沿坩堝下小孔向下生長(zhǎng)。此方法可以制備性質(zhì)相同或者界面間距小的組織，與其他方法相比，更適合制備直徑較小的纖維狀晶體。通過更改坩堝的形狀，能夠制備各種尺寸的共晶棒或者共晶纖維。這種方法得到的共晶組織微觀結(jié)構(gòu)更好，所以擁有優(yōu)異的力學(xué)性能，與能夠制備大尺寸共晶的布里奇曼法相比，共晶纖維的強(qiáng)度更高。但該方法制備的樣品尺寸過小也是它的主要缺點(diǎn)。

定邊喂膜法(邊界外延法)是在裝有共晶熔體的坩堝中浸入難熔金屬粉末型膜，利用液體的毛細(xì)作用，熔體沿著型膜中的細(xì)孔上升。型膜表面的溫度梯度為400～1600K/cm，根據(jù)提拉速度的不同可以得到尺寸不同的樣品，可連續(xù)制備共晶材料。該方法的優(yōu)點(diǎn)是：溫度梯度大，生產(chǎn)出的材料具有優(yōu)秀的力學(xué)性能。缺點(diǎn)是：制備的樣品尺寸小、形狀單一。

燃燒合成法(combustion?synthesis)，又稱自蔓延高溫合成法(簡(jiǎn)稱SHS)，是由前蘇聯(lián)科學(xué)家Merzhanov提出的。這種方法無需外部熱源，是依靠原料自身反應(yīng)時(shí)放出的熱量來進(jìn)行無機(jī)難熔材料合成的技術(shù)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是：成本低、耗能低、反應(yīng)溫度高、生長(zhǎng)效率高。缺點(diǎn)是：由于生長(zhǎng)速率過高，會(huì)在材料內(nèi)部引起較大的殘余熱應(yīng)力，可能導(dǎo)致最終產(chǎn)物出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。

目前現(xiàn)有趙忠民等人在《超重力下燃燒合成Al₂O₃/ZrO₂的成分、結(jié)構(gòu)與性能》中采用燃燒合成與超重力相結(jié)合的方法制備了較大尺寸的Y₂O₃摻雜Al₂O₃/ZrO₂共晶陶瓷，尺寸為100*100*15mm³，相對(duì)密度最大為98.7％。其基本原理為：采用高溫鋁熱反應(yīng)3Cr₂O₃+6Al＝3Al₂O₃+6Cr，產(chǎn)物中的金屬粉末鉻采用高速離心的方式分離，共晶陶瓷的產(chǎn)出率受到一定程度的限制，同時(shí)反應(yīng)溫度受到原料中Cr的沸點(diǎn)溫度的影響進(jìn)一步提高有一定的困難，Cr的沸點(diǎn)為2945K，若溫度大于2945K，一方面體系的壓力會(huì)迅速增加，導(dǎo)致制備工藝的安全性降低；另一方面由于Cr的汽化帶走大量的熱量，決定其反應(yīng)體系的溫度較低，不會(huì)超過2945K太多，而在快冷體系中，若溫度較低，將可能導(dǎo)致原料在液相混合不充分，共晶組織少，影響共晶陶瓷的性能。