【摘 要】
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为了满足研制新一代具有更高承温能力叶片材料的需求,基于设计和制备具有更高断裂韧性和抗弯强度的Al2O3/Y3Al5O12（YAG）共晶陶瓷的目的,本论文重点采用r-[1（?）02]、m-[10（?）0]和a-[11（?）0]Al2O3单相籽晶诱导制备了 Al2O3/YAG双相共晶陶瓷;探究了在定向凝固过程中旋转方式对其起始晶体学取向的影响;表征了凝固起始和结束部位的组织特征,借助构建的两相平行晶面
【基金项目】
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国家自然科学基金（编号:5180040292）；
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为了满足研制新一代具有更高承温能力叶片材料的需求,基于设计和制备具有更高断裂韧性和抗弯强度的Al2O3/Y3Al5O12（YAG）共晶陶瓷的目的,本论文重点采用r-[1（?）02]、m-[10（?）0]和a-[11（?）0]Al2O3单相籽晶诱导制备了 Al2O3/YAG双相共晶陶瓷;探究了在定向凝固过程中旋转方式对其起始晶体学取向的影响;表征了凝固起始和结束部位的组织特征,借助构建的两相平行晶面内的晶格匹配模型和二维平面晶格错配度计算结果,揭示了定向凝固双相共晶陶瓷晶体学取向关系的影响机制;测定了诱导制备的Al2O3/YAG双相共晶陶瓷抗弯强度、硬度及断裂韧性等力学性能,并揭示了增韧机制。研究结果表明:（1）引入“单相籽晶诱导双相共晶”技术,成功制备出直径9～10mm,长度～100mm、高致密度的Al2O3/YAG双相共晶陶瓷棒状试样,消减了旋转方式对Al2O3/YAG双相共晶陶瓷凝固起始阶段两相间晶体学取向的影响;（2）r-[1（?）02]、m-[10（?）0]和a-[11（?）0]Al2O3单相籽晶诱导制备的共晶陶瓷起始部位组织呈现出与凝固方向一致的生长趋势,且存在粗大的YAG相或Al2O3相;结束部位的微观组织致密,无孔洞和胞晶等缺陷存在,两相耦合连通形成典型的草书体（Chinese script）结构,为小平面-小平面非规则共晶组织。两相体积分割比分别为Al2O3:YAG=43.0:57.0,42.8:57.2,42.8:57.2,接近理论值45.0:55.0;诱导制备的双相共晶成分符合二元相图共晶点配比,物相成分仅由Al2O3相和YAG相构成,无中间相YAlO3和Y4A12O9存在;（3）r-[1（?）02]、m-[10（?）0]和a-[11（?）0]Al2O3单相籽晶诱导制备Al2O3/YAG双相共晶陶瓷凝固起始和结束部位的晶体学取向关系为:COR1:[1（?）02]Al2O3 ‖[222]YAG＆（1（?）20）Al2O3 ‖（110）YAG;COR2:[01（?）0]Al2O3 ‖[0（?）2]YAG＆（2（?）（?）3）Al2O3 ‖（（?）63）YAG;COR3:[11（?）0]Al2O3 ‖[101]YAG＆（0006）Al2O3‖（（?）04）YAG;COR4:[10（?）0]Al2O3 ‖[113]YAG＆（1（?）10）Al2O3 ‖（4（?）0）YAG;COR5:[10（?）0]Al2O3 ‖[213]YAG＆（1（?）10）Al2O3 ‖（2（?）0）YAG;COR6:[10（?）0]Al2O3 ‖[223]YAG＆（1（?）10）Al2O3 ‖（4（?）0）YAG。在凝固起始阶段,Al2O3 相的生长方向受到籽晶的约束作用,YAG相以低能界面匹配关系凝固。随着定向凝固进行,两相的晶体学取向关系演化遵循更小的相界面应变能匹配原则,Al2O3相择优生长为[10（?）0],YAG相取向转变为与之匹配的低能界面凝固,相界面应变能最小原则克服了定向凝固起始阶段Al2O3籽晶的诱导约束作用;（4）r-[1（?）02]、m-[10（?）0]和a-[11（?）0]Al2O3单相籽晶诱导制备双相Al2O3/YAG共晶陶瓷试样平均室温硬度分别为16.98±0.24 GPa,16.06±0.12 GPa,17.05±0.26 GPa;断裂韧性分别为7.2±0.42 MPa·m1/2,7.5±0.75 MPa·m1/2,6.5±0.47 MPa·m1/2;室温抗弯强度依次为360±15 MPa,333±30 MPa,343±22 MPa,力学性能未呈现出显著的差异。Al2O3/YAG共晶陶瓷断口形貌中的河流花样和解理台阶表明断裂方式为脆性解理断裂。双相共晶陶瓷韧性的提高得益于交错连通、耦合缠绕的共晶组织中大量相界面对裂纹的阻碍作用。此外,断口形貌中特有的二次撕裂棱形貌可以证明YAG相在提高共晶陶瓷的断裂韧性上起主要作用。
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