西工大材料學院蘇海軍教授團隊在超高溫氧化物共晶復合陶瓷增材研究方面取得重要進展
時間：2023-12-19 09:27 來源：材料微生活 作者：admin 閱讀：次
超高溫氧化物共晶復合陶瓷具有優異的高溫力學性能和環境性能，是新一代1400℃以上高推比航空航天發動機富氧環境長時用熱端構件的重要候選材料。面向航空航天跨代次、高推比發動機等戰略裝備對1400℃以上長壽命輕質超高溫結構陶瓷的迫切需求，材料學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熔化/凝固技術不成熟、凝固缺陷與組織調控難、以及強韌性不匹配等問題，堅持原始創新和持續攻關，取得了系列重要進展和原創突破。發明了系列具有自主知識產權的復合陶瓷超高溫度梯度定向凝固與激光增材制造技術及裝備，發展了系列寬溫域、高承溫能力的低成本超高溫氧化物共晶陶瓷新體系，實現了組織、晶體取向與性能的協同調控。相關成果近期集中發表在Nano
Lett、Addit Manuf、Compos Part B-Eng、J Mater Sci Technol、J Eur Ceram
Soc和J Adv Ceram等材料領域權威學術期刊上。
激光超高溫度高梯度定向凝固與陶瓷增材制造技術
通過對稱窄熔區聚焦、無約束懸浮熔煉及液態金屬強制冷卻設計，發明了具有自主知識產權簡單、高效的難熔材料激光懸浮區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量級，實現了系列全致密、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。
在此基礎上，自主設計研發了具有國際先進水平的復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(LDED，圖1(b1-b2))和激光選擇性熔化成形系統(LPBF，圖1(b3))，并基于逐層打印過程溫度場與應力場分析、沉積層結構及演變規律的理論分析，建立了氧化鋁基共晶陶瓷的連續穩定成形理論判據，實現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，無需高溫燒結，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等權威期刊上發表高質量論文12篇。
高熔化熵氧化物共晶陶瓷組織轉變及晶體學取向調控
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的定量關系，在較寬成分和凝固速率范圍內成功預測了共晶共生區(圖2c)，拓展了共晶陶瓷的成分設計區間，實現了多元復相共晶陶瓷凝固組織的均細化調控。在此基礎上，探明了高熔化熵氧化物共晶陶瓷共生生長行為，發現了非規則共晶形態轉變的普適規律。基于籽晶誘導與動力學條件相結合，從形態學和晶體學角度揭示了小平面共晶非規則-規則轉變的重要機制(圖2d)，闡明了強各向異性小平面共晶的生長取向競爭關系與低能界面結構調控機理(圖2e-f)，實現了大尺寸(直徑30mm，長度120mm，致密度99.6%)共晶陶瓷的晶體學織構控制(取向差小于2.5°)。上述工作在J Eur Ceram Soc、Addit Manuf和J Mater Sci Technol等權威期刊上發表高質量論文5篇。
氧化物共晶陶瓷力學及功能特性
通過工藝、組織及成分的系統優化，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)，實現了超高溫多元復相共晶陶瓷組織和性能的協同調控。具有微納米結構的共晶陶瓷在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構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基體和孔隙的連續耦合生長，獲得共格/半共格強結合相界面(圖3c)，當孔隙率為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CMAS熔鹽腐蝕32小時后，腐蝕滲透厚度控制在64μm以內，溶解-再沉淀后形成致密的反應層有效了阻止CMAS的滲透(圖3e)，表現出優異的抗高溫極端環境腐蝕特性。通過Ce3+和Cr3+共摻雜(圖3f)，發現材料的發光效率和顯色指數大幅提高(~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定性，并獲得了性能優異、結構功能一體化的Al2O3/YAG共晶熒光陶瓷，在LED及激光等高功率照明領域具有重要的應用前景。此外，制備的Al2O3/ZrO2共晶陶瓷具有優異的生物特性，揭示了抗老化和細胞增殖機理，在人工牙齒、骨修復等生物醫用領域應用前景廣闊。上述工作在Nano Lett、Addit Manuf、J Eur Ceram Soc、J Adv Ceram和J Mater Sci Technol等權威期刊上發表高質量論文11篇。
激光超高溫度高梯度定向凝固與陶瓷增材制造技術
通過對稱窄熔區聚焦、無約束懸浮熔煉及液態金屬強制冷卻設計，發明了具有自主知識產權簡單、高效的難熔材料激光懸浮區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量級，實現了系列全致密、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。
在此基礎上，自主設計研發了具有國際先進水平的復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(LDED，圖1(b1-b2))和激光選擇性熔化成形系統(LPBF，圖1(b3))，并基于逐層打印過程溫度場與應力場分析、沉積層結構及演變規律的理論分析，建立了氧化鋁基共晶陶瓷的連續穩定成形理論判據，實現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，無需高溫燒結，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等權威期刊上發表高質量論文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；(a2)激光懸浮區熔共晶陶瓷試棒；(a3)定向凝固大尺寸共晶陶瓷；(b)激光3D打印成形設備：(b1-b2)激光直接定向能量沉積設備及打印過程；(b3)激光粉末床熔融設備示意圖，(c)激光3D打印成形試樣(c1-c4)及基于光固化3D打印的復雜構件(c5-c9)
高熔化熵氧化物共晶陶瓷組織轉變及晶體學取向調控
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的定量關系，在較寬成分和凝固速率范圍內成功預測了共晶共生區(圖2c)，拓展了共晶陶瓷的成分設計區間，實現了多元復相共晶陶瓷凝固組織的均細化調控。在此基礎上，探明了高熔化熵氧化物共晶陶瓷共生生長行為，發現了非規則共晶形態轉變的普適規律。基于籽晶誘導與動力學條件相結合，從形態學和晶體學角度揭示了小平面共晶非規則-規則轉變的重要機制(圖2d)，闡明了強各向異性小平面共晶的生長取向競爭關系與低能界面結構調控機理(圖2e-f)，實現了大尺寸(直徑30mm，長度120mm，致密度99.6%)共晶陶瓷的晶體學織構控制(取向差小于2.5°)。上述工作在J Eur Ceram Soc、Addit Manuf和J Mater Sci Technol等權威期刊上發表高質量論文5篇。
圖2.
(a)高熔化熵氧化物共晶陶瓷定向凝固組織形態轉變及規則化特征，(b)3D打印非平衡快速凝固組織特征；(c)共晶共生區預測和實驗結果驗證；(d)層片-棒狀組織規則化轉變和共存區預測，(e)籽晶誘導下共晶晶體學取向競爭演變，(f)不同相界面關系下界面錯配模擬和計算
氧化物共晶陶瓷力學及功能特性
通過工藝、組織及成分的系統優化，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)，實現了超高溫多元復相共晶陶瓷組織和性能的協同調控。具有微納米結構的共晶陶瓷在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構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基體和孔隙的連續耦合生長，獲得共格/半共格強結合相界面(圖3c)，當孔隙率為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CMAS熔鹽腐蝕32小時后，腐蝕滲透厚度控制在64μm以內，溶解-再沉淀后形成致密的反應層有效了阻止CMAS的滲透(圖3e)，表現出優異的抗高溫極端環境腐蝕特性。通過Ce3+和Cr3+共摻雜(圖3f)，發現材料的發光效率和顯色指數大幅提高(~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定性，并獲得了性能優異、結構功能一體化的Al2O3/YAG共晶熒光陶瓷，在LED及激光等高功率照明領域具有重要的應用前景。此外，制備的Al2O3/ZrO2共晶陶瓷具有優異的生物特性，揭示了抗老化和細胞增殖機理，在人工牙齒、骨修復等生物醫用領域應用前景廣闊。上述工作在Nano Lett、Addit Manuf、J Eur Ceram Soc、J Adv Ceram和J Mater Sci Technol等權威期刊上發表高質量論文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)熒光陶瓷的發光性能
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