一種大尺寸鎂鋁尖晶石-釔鋁石榴石共晶陶瓷的水平定向區(qū)熔結(jié)晶制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及共晶陶瓷制備的生長(zhǎng)方法，具體涉及一種大尺寸板狀鎂鋁尖晶石-釔鋁石榴石共晶的水平定向區(qū)熔結(jié)晶制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]釔鋁石榴石(YAG)和鎂鋁尖晶石是兩個(gè)最抗蠕變的具有立方晶體結(jié)構(gòu)的復(fù)合氧化物。尖晶石-釔鋁石榴石系統(tǒng)的復(fù)合材料可能有希望使用在非常高的溫度(>1650°C)的氧化氣氛中。鎂鋁尖晶石-釔鋁石榴石共晶陶瓷高溫下具有優(yōu)異的抗氧化性、抗腐蝕性和力學(xué)性能，充分滿足人們?cè)谙冗M(jìn)航空航天領(lǐng)域?qū)Ω邷亟Y(jié)構(gòu)材料的苛刻要求。與傳統(tǒng)單晶高溫合金(密度8.0g/cm3)相比的低密度(3.lg/cm3)，具有極大的工程應(yīng)用前景和潛在經(jīng)濟(jì)價(jià)值。因此，近年來(lái)該材料引起世界各國(guó)的廣泛關(guān)注，有望成為1650°C以上高溫氧化性氣氛下長(zhǎng)期工作的超高溫結(jié)構(gòu)材料之一。
[0003]目前，生長(zhǎng)鎂鋁尖晶石-釔鋁石榴石共晶的方法包括改進(jìn)的Bridgman方法、激光區(qū)熔法(LFZ)、邊界外延生長(zhǎng)法(EFG)、微抽拉法(μ-PD)、爆炸合成法、激光懸浮區(qū)熔法(LHFZ)等。Brigdman法雖然能夠制備大體積陶瓷制品，但因陶瓷顯微組織粗大，力學(xué)性能偏低，故難以獲得工程應(yīng)用；激光區(qū)熔法受限于激光光斑的直徑，不適合制備體積較大的樣品。微抽拉法因受高溫定向凝固爐體積限制，目前僅適用于制備高性能亞微米相結(jié)構(gòu)陶瓷纖維；對(duì)于激光懸浮區(qū)熔法因陶瓷熔體對(duì)激光輻射的高吸收系數(shù)以及陶瓷所固有的低熱導(dǎo)率，從而導(dǎo)致其制備出的陶瓷棒材直徑或板材厚度均較小(僅為數(shù)毫米)。如何以凝固技術(shù)制備大體積、高性能的鎂鋁尖晶石-釔鋁石榴石共晶陶瓷已成為該類材料得以廣泛應(yīng)用的瓶頸問(wèn)題。因而當(dāng)今鎂鋁尖晶石-釔鋁石榴石共晶的生長(zhǎng)研宄重點(diǎn)依然是改進(jìn)現(xiàn)有的晶體生長(zhǎng)方法以制備更大體積共晶陶瓷，通過(guò)工藝控制和優(yōu)化，減少其生長(zhǎng)缺陷，提高共晶質(zhì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了解決上述存在的問(wèn)題，而提供一種大尺寸鎂鋁尖晶石-釔鋁石榴石共晶陶瓷的水平定向區(qū)熔結(jié)晶制備方法。
[0005]本發(fā)明的一種大尺寸鎂鋁尖晶石-釔鋁石榴石共晶陶瓷的水平定向區(qū)熔結(jié)晶制備方法，該方法包括下列步驟:
[0006]一、按摩爾百分含量稱取 55mol% 的 Al203、25mol% 的 MgO 和 2011101%的 Y2O3;
[0007]二、將步驟一稱取的Al203、Mg0和Y2O3經(jīng)無(wú)水乙醇濕法球磨混均后，烘干除去無(wú)水乙醇，再裝入筒狀塑膠模具，用液壓機(jī)進(jìn)行冷等靜壓，壓制成棒體，再將棒材在空氣氣氛下、1500°C的條件下燒結(jié)5h，得棒體生料；
[0008]三、化料:將步驟二得到的棒體生料置于經(jīng)無(wú)水乙醇洗滌后放置有YAG籽晶的鉬制舟形坩禍內(nèi)，將鉬制舟形坩禍裝入單晶爐，封閉單晶爐，首先，打開(kāi)循環(huán)水系統(tǒng)，控制冷循環(huán)系統(tǒng)的出水口溫度至22?38°C，然后打開(kāi)真空系統(tǒng)，對(duì)單晶爐抽真空至真空度為5.0X KT3Pa后，通電加熱單晶爐，在通電加熱單晶爐的功率達(dá)到化料功率后，在化料功率基礎(chǔ)上增加3?5kW，并維持3?5h，在通電加熱期間保持單晶爐真空度在5.0X 10_3Pa以上；
[0009]四、引晶:在步驟三化料3?5h后，在熔體遇到Y(jié)AG籽晶，籽晶既不生長(zhǎng)也不熔化時(shí)，進(jìn)行引晶，其中引晶條件為:使熔體接觸籽晶3?5mm，保持熔晶30?50min ；
[0010]五、在步驟四引晶保持30?50min后，在共晶生長(zhǎng)速度為10mm/h?200mm/h條件下進(jìn)行共晶生長(zhǎng)；
[0011]六、冷卻及退火過(guò)程:在晶體生長(zhǎng)結(jié)束后，首先用2?3h將單晶爐的加熱功率降至小于化料功率2kW的功率值，然后用24?36h將單晶爐的加熱功率降至零功率值，最后，在單晶爐的加熱功率達(dá)到零功率后繼續(xù)通水冷卻并抽真空度24?36h，即完成所述的大尺寸鎂鋁尖晶石-釔鋁石榴石共晶陶瓷的水平定向區(qū)熔結(jié)晶制備。
[0012]本發(fā)明結(jié)合定向結(jié)晶法和垂直區(qū)熔法的優(yōu)點(diǎn)，基于已采用水平定向區(qū)熔結(jié)晶法生長(zhǎng)出尺寸為 140mm X 80mm X 23mm 的 Nd: YAG、170mm X 150mm X 30mm 的 Yb: YAG 激光晶體，因此我們將此方法引入到鎂鋁尖晶石-釔鋁石榴石共晶陶瓷的制備中，目的在于生長(zhǎng)大尺寸，高性能和易于加工的鎂鋁尖晶石-釔鋁石榴石共晶陶瓷。用水平定向結(jié)晶法生長(zhǎng)高質(zhì)量的共晶陶瓷的主要要求是:制備符合生長(zhǎng)條件的料舟，控制坩禍的移動(dòng)速率和精確調(diào)節(jié)溫場(chǎng)的溫度梯度。晶體的尺寸依賴于料舟的大小，晶體生長(zhǎng)界面的穩(wěn)定性則取決于坩禍的移動(dòng)速率和溫場(chǎng)的溫度梯度。鎂鋁尖晶石-釔鋁石榴石共晶陶瓷生長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力是在固液界面處維持一定的過(guò)冷度。在水平定向結(jié)晶法中，這種驅(qū)動(dòng)力主要依靠調(diào)節(jié)發(fā)熱體、保溫裝置以及循環(huán)水冷卻系統(tǒng)等使在固液界面處形成一定的溫度梯度。同時(shí)，為了獲得高質(zhì)量的共晶，在爐膛內(nèi)形成合適的溫場(chǎng)顯得十分重要。在水平定向結(jié)晶法中，通過(guò)設(shè)計(jì)發(fā)熱體的形狀和改變保溫裝置的尺寸等方式，形成適合鎂鋁尖晶石-釔鋁石榴石共晶生長(zhǎng)的溫場(chǎng)及熱量傳遞途徑。
[0013]本發(fā)明包含以下有益效果:
[0014]1、相較于激光區(qū)熔法、邊界外延法等生長(zhǎng)方法，水平定向區(qū)熔結(jié)晶法發(fā)熱體作用面積大，不受限于激光光斑直徑和激光輻射能量，生長(zhǎng)出的板狀鎂鋁尖晶石-釔鋁石榴石共晶尺寸大于100mmX60mmX 15mm，且具有硬度大、高溫力學(xué)性能突出、熱穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
[0015]2、采用舟型坩禍，自由的上表面占總接觸表面的35% -40%，生長(zhǎng)出的位錯(cuò)密度相對(duì)較小。
[0016]3、晶體的形狀可以隨坩禍的形狀而定，使得生成的鎂鋁尖晶石-釔鋁石榴石共晶加工余量小。
[0017]4、整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程在爐膛內(nèi)，不直接暴露于空氣對(duì)流的環(huán)境中，因此生長(zhǎng)的鎂鋁尖晶石-釔鋁石榴石共晶幾乎無(wú)氣泡和包裹體。
[0018]綜上所述，采用水平定向區(qū)熔結(jié)晶法制備的鎂鋁尖晶石-釔鋁石榴石共晶陶瓷，具有尺寸大、缺陷少、硬度大、常溫和高溫力學(xué)性能突出、熱穩(wěn)定性強(qiáng)、易加工等突出優(yōu)點(diǎn)，因此該技術(shù)應(yīng)用前景廣闊，該技術(shù)的推廣和應(yīng)用具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1為本發(fā)明的化料過(guò)程示意圖；其中，I為YAG籽晶，2為結(jié)晶體，3為熔化體，4為棒狀原料，5為鉬制舟形坩禍，6為發(fā)熱體。
【具體實(shí)施方式】
[0020]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式的一種大尺寸鎂鋁尖晶石-釔鋁石榴石共晶陶瓷的水平定向區(qū)熔結(jié)晶制備方法，該方法包括下列步驟:
[0021]一、按摩爾百分含量稱取 55mol% 的 Al203、25mol % 的 MgO 和 20mol% 的 Y2O3;
[0022]二、將步驟一稱取的Al203、Mg0和Y2O3經(jīng)無(wú)水乙醇濕法球磨混均后，烘干除去無(wú)水乙醇，再裝入筒狀塑膠模具，用液壓機(jī)進(jìn)行冷等靜壓，壓制成棒體，再將棒材在空氣氣氛下、1500°C的條件下燒結(jié)5h，得棒體生料；
[0023]三、化料:將步驟二得到的棒體生料置于經(jīng)無(wú)水乙醇洗滌后放置有YAG籽晶的鉬制舟形坩禍內(nèi)，將鉬制舟形坩禍裝入單晶爐，封閉單晶爐，首先，打開(kāi)循環(huán)水系統(tǒng)，控制冷循環(huán)系統(tǒng)的出水口溫度至22?38°C，然后打開(kāi)真空系統(tǒng)，對(duì)單晶爐抽真空至真空度為5.0X KT3Pa后，通電加熱單晶爐，在通電加熱單晶爐的功率達(dá)到化料功率后，在化料功率基礎(chǔ)上增加3?5kW，并維持3?5h，在通電加熱期間保持單晶爐真空度在5.0X 10_3Pa以上；
[0024]四、引晶:在步驟三化料3?5h后，在熔體遇到Y(jié)AG籽晶，籽晶既不生長(zhǎng)也不熔化時(shí)，進(jìn)行引晶，其中引晶條件為:使熔體接觸籽晶3?5mm，保持熔晶30?50min ；
[0025]五、在步驟四引晶保持30?50min后，在共晶生長(zhǎng)速度為10mm/h?200mm/h條件下進(jìn)行共晶生長(zhǎng)；
[0026]六、冷卻及退火過(guò)程:在晶體生長(zhǎng)結(jié)束后，首先用2?3h將單晶爐的加熱功率降至小于化料功率2kW的功率值，然后用24?36h將單晶爐的加熱功率降至零功率值，最后，在單晶爐的加熱功率達(dá)到零功率后繼續(xù)通水冷卻并抽真空度24?36h，即完成所述的大尺寸鎂鋁尖晶石-釔鋁石榴石共晶陶瓷的水平定向區(qū)熔結(jié)晶制備。
[0027]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是:棒體生料加入量與鉬制舟形坩禍的寬度及長(zhǎng)度關(guān)系是按照如下公式計(jì)算的= l*h*d*P ;其中，I為鉬制舟形坩禍的長(zhǎng)度，h為鉬制舟形坩禍的寬度，d為鉬制舟形坩禍的高度，P為共晶的密度。其它與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0028]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是:所述的鉬制舟形坩禍裝滿棒體生料，水平放置于一鉬制托盤上，該托盤水平放置于帶有定位限位的四根鉬制圓桿上，四根鉬制圓桿提拉端穿過(guò)高溫合金，并用高溫合金通過(guò)小孔定位加固，四根提拉桿的另一端采用帶有缺口的鉬片定位并加固。其它與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0029]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是:所述的大尺寸鎂鋁尖晶石-釔鋁石榴石共晶陶瓷的尺寸與鉬制舟形坩禍的寬度、長(zhǎng)度和高度呈正相關(guān)。其它與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0030]【具體實(shí)施方式】五:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是:所述的鉬制舟形坩禍的寬度不超過(guò)單晶爐的發(fā)熱體內(nèi)部寬度，長(zhǎng)度不超過(guò)提拉桿的行程，高度不超過(guò)單晶爐的發(fā)熱體的上部。其它與【具體實(shí)施方式】一相同