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作为新一代超高温结构材料,Al2O3基共晶陶瓷具备优异的高温力学性能、组织热稳定性、高温抗氧化性和抗蠕变性能,有望广泛应用于先进航空航天发动机和燃气轮机的高温结构部件。然而,目前Al2O3基共晶陶瓷的微观组织与材料力学性能之间的关系尚不够明确,对其断裂损伤行为和强韧化机制缺乏深入的研究。本文构建了Al2O3基共晶陶瓷的微观力学理论模型并结合有限元方法进行模拟分析;采用原位透射电镜微观力学技术对亚微米圆柱和微悬臂梁试样的微观力学性能进行测试,系统研究了微观组织、界面微结构和试样几何尺寸等因素对Al2O3基共晶陶瓷的微观变形和断裂行为的影响规律,从而揭示典型Al2O3基共晶陶瓷的塑性变形机制与强韧化机制。采用热压烧结制备了致密Al2O3/SmAlO3(SAP)陶瓷,其物相由α-Al2O3和SAP组成。当热压温度为1500℃时,烧结态Al2O3/SAP陶瓷具有最佳综合力学性能,致密度和平均晶粒尺寸分别为99%和1.3μm,室温抗弯强度和SENB断裂韧性分别为558MPa和5.59MPa·m1/2。烧结过程中原始粉体所含过饱和稀土元素通过扩散富集并形核长大,从而在Al2O3晶粒内部形成纳米析出颗粒。利用脉冲放电等离子辅助熔凝制备了不同组织形态的Al2O3/SAP共晶陶瓷,随着熔融温度不断升高,“半固态-液态”粗大不规则组织逐渐演变为均匀细小的共晶组织。熔凝形成的Al2O3/SAP共晶组织具有共格界面,位向关系为Al2O3[000l]//SmAlO3[021],Al2O3(1100)//SmAlO3(100);而烧结态 Al2O3/SAP 组织中各等轴晶粒间的晶界属于随机取向的非共格界面。采用原位TEM微悬臂梁测试了不同类型界面的断裂韧性,发现Al2O3-SAP共晶共格界面的断裂韧性高达2.83MPa·m1/2,高于同成分等轴晶组织界面。材料的界面断裂韧性受微观组织结构和相成分的共同影响,而组织成分和晶界结构共同决定了界面能的大小,界面能越高,相应的界面断裂韧性越低。通过微观压缩力学测试并结合有限元分析,发现微观压缩过程中Al2O3基体与富含稀土相(如REAG和REAP相)形成协同塑性变形,其中包括AlO3基体的基面滑移以及共晶界面滑移等变形机制。共晶组织所具有的良好界面结合有效阻碍了界面滑移,展现出较高的抗压强度;Al2O3/Y3Al5O12(YAG)和Al2O3/SAP共晶陶瓷的微观抗压强度分别为7.2GPa和5.9GPa。在棒状Al2O3/GdAlO3(GAP)共晶陶瓷的微观单轴压缩测试中,其微观屈服强度和抗压强度分别为5.3GPa和6.1GPa;其塑性变形响应存在各向异性,当棒状共晶组织生长方向与加载方向近垂直时表现为界面滑移机制,而与加载方向平行时呈现由于各组成相间应力不均导致的相界面开裂失效。Al2O3/Er3Al5O12(EAG)/ZrO2共晶陶瓷中细小ZrO2均匀分布于共晶基体内,微观压缩变形时纳米ZrO2颗粒显著阻碍塑性变形,有助于增强增韧。基于原位TEM微悬臂梁弯曲断裂测试,发现不同共晶样品在组织形态和取向上存在明显的断裂行为差异,其中棒状Al2O3/GAP试样在共晶组织纵剖面上出现了 R曲线增韧效应。有限元微观断裂力学模拟证实了棒状组织分布使裂纹扩展路径上出现明显的应力场差异,从而导致裂纹扩展平面偏转。裂纹开裂过程中通过纳米级裂纹桥接和裂纹偏转实现能量耗散和增韧效果,可使断裂韧性增至3.07MPa·m1/2。此外,微悬臂梁试样的厚度和几何形状因子也是影响断裂韧性的因素。Al2O3/YSZ共晶陶瓷微悬臂梁的弯曲断裂测试表明,共晶陶瓷中出现的应力诱发ZrO2相变增韧可使断裂韧性增至5.50MPa·m1/2。