一种水平定向区熔结晶制备大尺寸氧化铝-钇铝石榴石共晶陶瓷的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种制备氧化铝-钇铝石榴石共晶陶瓷的方法。
【背景技术】
[0002]氧化铝-钇铝石榴石共晶陶瓷高温下具有优异的抗氧化性、抗腐蚀性和力学性能，充分满足人们在先进航空航天领域对高温结构材料的苛刻要求。与传统单晶高温合金(密度8.0g/cm3)相比的低密度(4.lg/cm3)，预计使用在燃气汽轮机上可提高热效率高达9%，具有极大的工程应用前景和潜在经济价值。因此，近年来该材料引起世界各国的广泛关注，有望成为1650°C以上高温氧化性气氛下长期工作的首选超高温结构材料。
[0003]目前，生长氧化铝-钇铝石榴石共晶的方法包括改进的Bridgman方法、激光区熔法(LFZ)、边界外延生长法(EFG)、微抽拉法(μ-PD)、爆炸合成法、激光悬浮区熔法(LHFZ)等。Brigdman法虽然能够制备大体积陶瓷制品，但因陶瓷显微组织粗大，力学性能偏低，故难以获得工程应用；激光区熔法受限于激光光斑的直径，不适合制备体积较大的样品。微抽拉法因受高温定向凝固炉体积限制，目前仅适用于制备高性能亚微米相结构陶瓷纤维；对于激光悬浮区熔法因陶瓷熔体对激光辐射的高吸收系数以及陶瓷所固有的低热导率，从而导致其制备出的陶瓷棒材直径或板材厚度均较小(仅为数毫米)。如何以凝固技术制备大体积、高性能的氧化铝-钇铝石榴石共晶陶瓷已成为该类材料得以广泛应用的瓶颈问题。因而当今氧化铝-钇铝石榴石共晶的生长研宄重点依然是改进现有的晶体生长方法以制备更大体积共晶陶瓷，通过工艺控制和优化，减少其生长缺陷，提高共晶质量。
【发明内容】
[0004]本发明是要解决现有大体积共晶陶瓷在制备过程中存在生长缺陷多、共晶质量差的问题，而提供一种水平定向区熔结晶制备大尺寸氧化铝-钇铝石榴石共晶陶瓷的方法。
[0005]本发明一种水平定向区熔结晶制备大尺寸氧化铝-钇铝石榴石共晶陶瓷的方法是按以下步骤进行:
[0006]一、陶瓷料混合:按摩尔比称取81.5mol%的Al2O3和18.5mol %的Y 203，混合得到混合料，然后采用乙醇湿法球磨5h?12h后烘干，装入筒状塑胶模具后用液压机冷等静压压制成<i>30mmX150mm的棒体，在空气气氛下高温烧结，烧结温度为1500°C，烧结时间为5h?10h，得到棒状原料；
[0007]二、化料:将钼制舟形坩祸采用酒精洗涤3?5次，然后将YAG籽晶竖直嵌入到清洗后的钼制舟形坩祸的尖部，将棒状原料放入嵌有YAG籽晶的钼制舟形坩祸内，然后送入单晶炉，使钼制舟形坩祸垂直于发热体放置，封闭单晶炉，打开循环水和真空系统，冷循环系统的出水口温度设置在22°C?38°C，当真空度为5.0X 10_3Pa时，给发热体通电使之升温，在加热的过程中，真空度控制在5.0X 10_3Pa以上，当加热功率达到化料功率时，在化料功率的基础上增加3kW?5kW，然后保温3?5h，使得棒状原料熔化充分并对流平衡后，得到煮料后的棒状原料；
[0008]三、引晶:观察煮料后的棒状原料，当煮料后的棒状原料遇到YAG籽晶时，调节功率使得YAG籽晶既不生长也不熔化，此时的功率为引晶功率，然后在此引晶功率下保温30min?60min后，开始引晶，控制煮料后的棒状原料熔为熔体，当熔体液面到达YAG籽晶高3mm?5mm处，保持恪晶30min?50min，开始共晶生长；所述共晶生长速度为10mm/h?200mm/h，当熔区到达钼制舟形坩祸尾部边缘后，晶体生长结束；
[0009]四、冷却及退火过程:当晶体生长结束后，在2h?3h内从引晶功率降低至冷却功率；然后在24h?36h内从冷却功率降低至零功率；到达零功率后继续通水冷却和抽真空度24h?36h，完成水平定向区熔结晶制备大尺寸氧化铝-钇铝石榴石共晶陶瓷；所述冷却功率等于步骤二所述化料功率减少2kW。
[0010]本发明的原理:
[0011]本发明通过制备符合生长条件的料舟，控制坩祸的移动速率和精确调节温场的温度梯度。使得晶体的尺寸依赖于料舟的大小，晶体生长界面的稳定性则取决于坩祸的移动速率和温场的温度梯度。氧化铝-钇铝石榴石共晶陶瓷生长的驱动力是在固液界面处维持一定的过冷度。在水平定向结晶法中，这种驱动力主要依靠调节发热体、保温装置以及循环水冷却系统等使在固液界面处形成一定的温度梯度。同时，为了获得高质量的共晶，在炉膛内形成合适的温场显得十分重要。在水平定向结晶法中，通过设计发热体的形状和改变保温装置的尺寸等方式，形成适合氧化铝-钇铝石榴石共晶生长的温场及热量传递途径。
[0012]本发明的有益效果:
[0013]1、本发明采用水平定向区熔结晶法相较于激光区熔法、边界外延法等生长方法，发热体作用面积大，不受限于激光光斑直径和激光辐射能量，生长出的板状氧化铝-钇铝石植石共晶尺寸大于100mmX60mmX 15mm，且具有硬度大、高温力学性能突出、热稳定性强等优点。
[0014]2、本发明采用舟型坩祸，自由的上表面占总接触表面的35%?40%，生长出的位错密度相对较小。
[0015]3、本发明制备的晶体的形状可以随坩祸的形状而定，使得生成的氧化铝-钇铝石榴石共晶加工余量小。整个生长过程在炉膛内，不直接暴露于空气对流的环境中，因此生长的氧化铝-钇铝石榴石共晶几乎无气泡和包裹体。
[0016]4、本发明采用水平定向区熔结晶法制备的氧化铝-钇铝石榴石共晶陶瓷，具有尺寸大、缺陷少、硬度大、常温和高温力学性能突出、热稳定性强、易加工等突出优点，因此该技术应用前景广阔，该技术的推广和应用具有明显的经济效益和社会效益。
【附图说明】
[0017]图1为本发明的化料过程示意图；其中I为YAG籽晶，2为结晶体，3为熔化体，4为棒状原料，5为钼制舟形坩祸，6为发热体。
【具体实施方式】
[0018]【具体实施方式】一:本实施方式一种水平定向区熔结晶制备大尺寸氧化铝-钇铝石榴石共晶陶瓷的方法是按以下步骤进行:
[0019]一、陶瓷料混合:按摩尔比称取81.5mol%的Al2O3和18.5mol %的Y 203，混合得到混合料，然后采用乙醇湿法球磨5h?12h后烘干，装入筒状塑胶模具后用液压机冷等静压压制成<i>30mmX150mm的棒体，在空气气氛下高温烧结，烧结温度为1500°C，烧结时间为5h?10h，得到棒状原料4 ;
[0020]二、化料:将钼制舟形坩祸采用酒精洗涤3?5次，然后将YAG籽晶I竖直嵌入到清洗后的钼制舟形坩祸4的尖部，将棒状原料4放入嵌有YAG籽晶I的钼制舟形坩祸内，然后送入单晶炉，使钼制舟形坩祸4垂直于发热体6放置，封闭单晶炉，打开循环水和真空系统，冷循环系统的出水口温度设置在22°C?38°C，当真空度为5.0X 10_3Pa时，给发热体6通电使之升温，在加热的过程中，真空度控制在5.0X 10_3Pa以上，当加热功率达到化料功率时，在化料功率的基础上增加3kW?5kW，然后保温3?5h，使得棒状原料4熔化充分并对流平衡后，得到煮料后的棒状原料；
[0021]三、引晶:观察煮料后的棒状原料，当煮料后的棒状原料遇到YAG籽晶I时，调节功率使得YAG籽晶I既不生长也不熔化，此时的功率为引晶功率，然后在此引晶功率下保温30min?60min后，开始引晶，控制煮料后的棒状原料熔为熔体，当熔体液面到达YAG籽晶I高3mm?5mm处，保持恪晶30min?50min，开始共晶生长；所述共晶生长速度为10mm/h?200mm/h，当熔区到达钼制舟形坩祸尾部边缘后，晶体生长结束；
[0022]四、冷却及退火过程:当晶体生长结束后，在2h?3h内从引晶功率降低至冷却功率；然后在24h?36h内从冷却功率降低至零功率；到达零功率后继续通水冷却和抽真空度24h?36h，完成水平定向区熔结晶制备大尺寸氧化铝-钇铝石榴石共晶陶瓷；所述冷却功率等于步骤二所述化料功率减少2kW。
[0023]本实施方式步骤一使得棒状原料熔化充分并对流平衡是通过来回移动钼制舟形坩祸达到的；当熔区离开加热区域，原料冷却成结晶体。
[0024]本实施方式步骤二所述化料功率是在加热功率升高过程中真空度发生波动，此时棒状原料开始融化，此功率值称为化料功率。
[0025]本实施方式采用步骤四所述的冷却及退火方式，其目的在于防止快速冷却对晶体造成热冲击。
[0026]本实施方式步骤二中的装料和提拉是将装满棒状原料的坩祸水平放置于一钼制托盘上；该托盘水平放置于带有定位限位的四根钼制圆杆上；四根钼制圆杆提拉端穿过高温合金制件，并用高温合金通过小孔定位加固；四根提拉杆的另一端采用带有缺口的钼片定位并加固。
[0027]本实施方式制备的大尺寸氧化铝-钇铝石榴石共晶陶瓷可以根据需要调节坩祸的宽度、长度和高度。其宽度不超过加热体的内部宽度，其长度最大不能超过提拉杆的行程，其高度最大不能接触上部发热体。提拉机构在石墨滚轴自由滑动。
[0028]本实施方式采用水平定向区熔结晶法相较于激光区熔法、边界外延法等生长方法，发热体作用面积大，不受限于激光光斑直径和激光辐射能量，生长出的板状氧化铝-钇销石植石共晶尺寸大于100mmX60mmX 15mm，且具有硬度大、高温力学性能突出、热稳定性强等优点。
[0029]本实施方式采用舟型坩祸，自由的上表面占总接触表面的35 %?40 %，生长出的位错密度相对较小。
[0030]本实施方式制备的大尺寸氧化铝-钇铝石榴石共晶陶瓷的形状可以随坩祸的形状而定，使得生成的氧化铝-钇铝石榴石共晶加工余量小。整个生长过程在炉膛内，不直接暴露于空气对流的环境中，因此生长的氧化铝-钇铝石榴石共晶几乎无气泡和包裹体。
[0031]本实施方式采用水平定向区熔结晶法制备的氧化铝-钇铝石榴石共晶陶瓷，具有尺寸大、缺陷少、硬度大、常温和高温力学性能突出、热稳定性强、易加工等突出优点，因此该技术应用前景广阔，该技术的推广和应用具有明显的经济效益和社会效益。
[0032]【具体实施方式】二:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:步骤一中烧结时间为8ho其他与【具体实施方式】一相同。
[0033]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一或二不同的是:步骤二中所述发热体6为焊接的钨发热体；所述发热体6为扁平箱式。其他与【具体实施方式】一或二相同。
[0034]【具体实施方式】四:本实施方式与【具体实施方式】一至三之一不同的是:步