一种氧化铝/GAP共晶陶瓷及其制备方法

本发明涉及陶瓷材料领域，尤其涉及一种al2o3/gdalo3共晶陶瓷及其制备方法。
背景技术：
：al2o3/gdalo3(gdalo3简写为gap)共晶陶瓷材料具有优异的高温强度、抗氧化、抗蠕变及高温组织结构稳定性等特点，能够在1600℃以上的高温氧化环境中长期服役，因此在航空航天、火力发电等领域具有潜在应用价值。目前制备al2o3/gdalo3共晶陶瓷材料的方法主要有布里奇曼法、快速淬火和放电等离子烧结法、激光悬浮区熔方法、高能激光束扫描烧结法等等，但是上述方法，无法同时制备得到大尺寸且组织结构致密的al2o3/gdalo3共晶陶瓷。例如文献“y.h.han,m.nagata,n.uekawa,k.kakegawa.eutectical2o3/gdalo3compositeconsolidatedbycombinedrapidquenchingandsparkplasmasinteringtechnique[j].brceramtrans.2004,103:219-222.”结合快速淬火和放电等离子烧结技术制备出了al2o3/gdalo3共晶陶瓷样件，然而经放电等离子烧结所得试样为多晶组织，晶界间通常含有非晶相及气孔等缺陷，组织结构不均匀。技术实现要素：本发明提供了一种al2o3/gdalo3共晶陶瓷的制备方法，本发明提供的制备方法能够制备得到大尺寸且组织结构致密的al2o3/gdalo3共晶陶瓷。本发明提供了一种al2o3/gdalo3共晶陶瓷的制备方法，包括以下步骤：(1)将al2o3粉末和gd2o3粉末按照共晶配比混合后制粒，得到球形粉末颗粒；(2)采用co2激光增材制造方法将所述步骤(1)得到的球形粉末颗粒熔化凝固，得到单层共晶陶瓷；所述co2激光增材制造方法的扫描速率为48～240mm/min；所述co2激光增材制造方法的激光功率为300～500w；重复进行熔化凝固过程，得到al2o3/gdalo3共晶陶瓷。优选的，所述步骤(1)中al2o3粉末和gd2o3粉末的摩尔比为77:23。3、根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中al2o3粉末的粒径为1～2μm；gd2o3粉末的粒径为2～5μm；所述步骤(1)得到的球形粉末颗粒的粒径为10～90μm。优选的，所述步骤(1)中制粒的方法为离心喷雾干燥法。优选的，所述步骤(2)中单层共晶陶瓷的厚度为0.05～0.1mm；所述步骤(2)重复的次数为300～2000次。优选的，所述步骤(2)中co2激光增材制造方法的具体过程为：将al2o3基板放在工作台上，由激光喷头输出的激光束对al2o3基板进行单程扫描，在al2o3基板上表面形成熔池，同时在氩气的推动下，通过激光喷头将球形粉末颗粒输送至熔池中熔化并凝固，形成单层共晶陶瓷；将激光喷头升高，重复进行将球形粉末颗粒送入熔池中熔化并凝固的步骤，直至得到所需的al2o3/gdalo3共晶陶瓷。优选的，所述氩气流量为5～10l/min，所述球形粉末颗粒通过旋转送粉进入激光喷头内，所述旋转送粉的转速为10～20rpm。优选的，所述激光喷头到所述al2o3基板上表面的垂直距离为8～11mm，所述单程扫描的长度为2～4mm。优选的，所述激光喷头单次升高的高度与单层共晶陶瓷的厚度相同。本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的al2o3/gdalo3共晶陶瓷，所述al2o3/gdalo3共晶陶瓷的共晶层片间距为0.2～1.3μm。本发明提供了一种al2o3/gdalo3共晶陶瓷的制备方法，包括以下步骤：将al2o3粉末和gd2o3粉末按照共晶配比混合后制粒，得到球形粉末颗粒；采用co2激光增材制造方法将所述球形粉末颗粒熔化凝固，得到单层共晶陶瓷；重复进行熔化凝固过程，得到al2o3/gdalo3共晶陶瓷；所述co2激光增材制造方法的扫描速率为48～240mm/min；所述co2激光增材制造方法的激光功率为300～500w。本发明提供的制备方法通过采用co2激光增材制造方法，并将co2激光增材制造方法的扫描速率和激光功率控制在上述范围内，使本发明能够制备得到大尺寸且组织结构致密均匀的al2o3/gdalo3共晶陶瓷，实施例结果表明，本发明制备得到的al2o3/gdalo3共晶陶瓷的凝固组织细小，最小平均共晶层片间距可达0.2μm。而且本发明提供的制备方法还具有以下优点：(1)成形速度快。本发明中al2o3/gdalo3二元共晶陶瓷的扫描速率最高可达240mm/min，而采用其它方法制备al2o3/gdalo3二元共晶陶瓷时，已报道的最快成形速度仅为12mm/min。(2)本发明提供的制备方法成形自由度高，可以不受模具限制，制备出现有技术难以制备的复杂形状的共晶陶瓷试样。目前，改进的布里奇曼法需要依赖价格昂贵的模具，且只能制备柱状试样；激光底座生长法更适合制备纤维状试样，尺寸细小；激光悬浮区熔法只能制备小尺寸的棒状试样。这些技术的局限性极大地制约了高性能共晶陶瓷的应用前景。本发明采用co2激光增材制造方法制备al2o3/gdalo3共晶陶瓷，采用“离散-堆积”的制造理念，依据三维模型，可层层加工出理想的大尺寸复杂形状的陶瓷试样，理论上对目标结构件的形状和尺寸没有限制。通过后续工艺优化，有望制备出结构更加复杂、尺寸更大的al2o3-gdalo3共晶陶瓷试样。附图说明图1为本发明制备al2o3/gdalo3共晶陶瓷的流程图；图2为本发明实施例1制备得到的al2o3/gdalo3共晶陶瓷的照片；图3为本发明实施例2制备得到的al2o3/gdalo3共晶陶瓷的照片；图4为本发明实施例1制备得到的al2o3/gdalo3共晶陶瓷的扫描电镜图。具体实施方式本发明提供了一种al2o3/gdalo3共晶陶瓷的制备方法，包括以下步骤：(1)将al2o3粉末和gd2o3粉末按照共晶配比混合后制粒，得到球形粉末颗粒；(2)采用co2激光增材制造方法将所述步骤(1)得到的球形粉末颗粒熔化凝固，得到单层共晶陶瓷；重复进行熔化凝固过程，得到al2o3/gdalo3共晶陶瓷；所述co2激光增材制造方法的扫描速率为48～240mm/min；所述co2激光增材制造方法的激光功率为300～500w。本发明将al2o3粉末和gd2o3粉末混合后制粒，得到球形粉末颗粒。在本发明中，所述al2o3粉末的粒径优选为1～2μm，所述al2o3粉末的纯度优选为99.99％及以上，所述gd2o3粉末的粒径优选为2～5μm，更优选为3～4μm，所述gd2o3粉末的纯度优选为99.99％及以上。在本发明中，所述al2o3粉末和gd2o3粉末的摩尔比优选为77:23。本发明优选采用上述粒径的al2o3粉末和gd2o3粉末，并将al2o3粉末和gd2o3粉末的用量控制在上述范围内，有利于使al2o3粉末和gd2o3粉末充分混合，进而有利于制备得到组织致密的al2o3/gdalo3共晶陶瓷。混合完成后，本发明al2o3和gd2o3的混合粉末进行制粒，得到球形粉末颗粒。在本发明中，所述制粒的方法优选为离心喷雾干燥法，制备得到的球形粉末颗粒的粒径优选为10～90μm，进一步优选为10～50μm，更优选为15～45μm。得到球形粉末颗粒后，本发明采用co2激光增材制造方法将所述球形粉末颗粒熔化凝固，得到单层共晶陶瓷。在本发明中，所述co2激光增材制造方法的具体过程优选为：将al2o3基板放在工作台上，由激光喷头输出的激光束对al2o3基板进行单程扫描，在al2o3基板上表面形成熔池，同时在氩气的推动下，通过激光喷头将球形粉末颗粒输送至熔池中熔化并凝固，形成单层共晶陶瓷；将激光喷头升高，重复进行将球形粉末颗粒送入熔池中熔化并凝固的步骤，直至得到所需的al2o3/gdalo3共晶陶瓷。在本发明中，所述激光喷头到所述al2o3基板上表面的垂直距离优选为8～11mm，更优选为10mm，所述激光束的激光功率为300～500w，优选为320～480w，更优选为350～450w。在本发明中，所述单程扫描的扫描速率为48～240mm/min，优选为50～220mm/min，进一步优选为70～200mm/min，更优选为100～150mm/min；所述单程扫描的长度优选为2～4mm，更优选为2.5～3.5mm。在本发明中，所述氩气的流量优选为5～10l/min，更优选为6～9l/min。在本发明中，所述球形粉末颗粒通过旋转送粉进入激光喷头内，所述旋转送粉的转速为10～20rpm，所述送粉盘的转速决定由激光喷头送入熔池内球形粉末颗粒的多少。本发明采用上述方法形成的单晶共晶陶瓷的厚度优选为0.05～0.1mm，进一步优选为0.05mm、0.06mm、0.07mm、0.08mm、0.09mm、0.1mm。得到单层共晶陶瓷后，本发明将激光喷头升高，重复进行将球形粉末颗粒送入熔池中熔化并凝固的步骤，直至得到所需的al2o3/gdalo3共晶陶瓷。在本发明中，激光喷头单次升高的高度优选与单层共晶陶瓷的厚度相同。在本发明中，重复的次数优选为300～2000次，以得到所需要的al2o3/gdalo3共晶陶瓷厚度为准。本发明在co2激光增材制造过程中，al2o3粉末和gd2o3粉末高温熔化，发生共晶反应，gd2o3粉末转化成gdalo3，最终得到al2o3/gdalo3共晶陶瓷。本发明优选在co2激光增材制造步骤完成后，关闭送粉器，激光喷头以1000mm/min的速度上移10mm，随后在加工起点及终点之间继续做往复扫描运动，所述往复扫描运动过程中，激光喷头不再做上移运动，激光喷头每运动一个单层扫描长度，激光功率减小10w，直到激光功率降到50w后，关闭激光器，整个加工过程结束。在本发明中，上述关闭激光器的过程起到缓冷作用，即在加工结束后，进行激光阶梯降温，减少样件骤冷引起过大热应力，能够有效控制裂纹的产生。本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的al2o3/gdalo3共晶陶瓷。在本发明中，所述al2o3/gdalo3共晶陶瓷的共晶层片间距为0.2～1.3μm，最低可至0.2μm，说明本发明提供的共晶陶瓷组织细小致密。在本发明中，所述al2o3/gdalo3共晶陶瓷优选为棒状，所述al2o3/gdalo3共晶陶瓷的直径为4～5mm，长度可达95mm。下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。按照图1所示流程图进行实验：先制备共晶组份球形粉末颗粒，然后将球形粉末颗粒装入送粉器，制备al2o3/gdalo3二元共晶陶瓷，如果得到的样件达到预设的厚度要求，则结束实验，如果样件没有达到预设的厚度要求，继续进行制备al2o3/gdalo3二元共晶陶瓷的步骤，直至得到的样件达到预设要求。实施例1(1)制备共晶组分al2o3-gd2o3球形粉末颗粒。将充分混合均匀的al2o3-gd2o3陶瓷粉末利用离心喷雾干燥法制备成球形粉末颗粒；al2o3粉末与gd2o3粉末的摩尔比为77:23，球形粉末颗粒的粒径分布为10-50μm。(2)将球形粉末颗粒装入送粉器中备用。(3)利用连续波的co2激光增材制造技术将步骤(1)所得的球形粉末颗粒熔化凝固并层层堆积成形，具体制备过程为：第一步，将尺寸为100mm×100mm×10mm的al2o3基板放在工作台上，将激光喷头移到al2o3基板正上方，并调整两者之间的垂直距离为10mm；第二步，设定工艺参数，在控制程序中设定激光功率为200w，扫描速率为48mm/min，单程扫描长度为2mm，激光喷头单层提升高度为0.05mm，加工层数为500层。其中控制程序是由cnc控制代码组成的，用以控制激光器的开启与关闭、激光喷头的运动轨迹以及加工过程中的工艺参数，激光功率决定激光能量输入的大小，扫描速率决定加工的快慢，单程扫描长度决定激光喷头运动的距离，激光喷头单层提升高度决定加工试样的单层厚度，加工层数决定加工试样的最终高度。第三步，制备al2o3/gdalo3共晶陶瓷，以激光喷头当前所在位置作为起点，运行控制程序执行按钮，激光器开启后，开启送粉器，激光喷头在控制程序的控制下按照预先设定的扫描路径运动，激光束经由激光喷头输出并与al2o3基板相互作用形成熔池，同时，球形粉末颗粒通过送粉筒内旋转的送粉盘运送到送粉口，随后在送粉气体的推动下经由输送管道送达激光喷头并送入熔池中熔化并快速凝固形成al2o3/gdalo3共晶陶瓷，当激光喷头运动完一个扫描长度后，激光喷头上移一个单层提升高度，随后再向起点方向运动一个扫描长度，以此类推，循环往复，直到获得所需al2o3/gdalo3二元共晶陶瓷试样，送粉盘的转速设置为15rpm，送粉气体为纯氩气，气体流量为6l/min；所述制备过程是在以纯氩气作为保护气体的手套箱中完成的，手套箱的箱压设置为1-2mbar；(4)加工结束，获得所需的al2o3/gdalo3共晶陶瓷试样后，关闭送粉器，激光喷头以1000mm/min的速度上移10mm，随后在加工起点及终点之间继续做往复扫描运动。所述往复扫描运动过程中，激光喷头不再做上移运动。激光喷头每运动一个单层扫描长度，激光功率减小10w，直到激光功率降到50w后，关闭激光器，整个加工过程结束。实施例2～5按照实施例1的方法进行实施例2～5，区别在于，实施例2～5步骤(3)第二步中的激光功率、扫描速率、单程扫描长度、激光喷头单层提升高度、加工层数以及第三步中的送粉盘的转速与实施例1不同，实施例2～5的上述参数如表1所示：表1实施例2～5的试验参数激光功率扫描速率单程扫描长度层厚加工层数送粉盘转速实施例2250w96mm/min3mm0.06mm2000层16rpm实施例3300w144mm/min2mm0.07mm500层17rpm实施例4350w192mm/min3mm0.08mm500层18rpm实施例5400w240mm/min4mm0.1mm500层20rpm实施例1和实施例2制备得到的al2o3/gdalo3共晶陶瓷的照片分别如图2和图3所示，图2为实施例1的al2o3/gdalo3共晶陶瓷照片，图3为实施例2的al2o3/gdalo3共晶陶瓷照片。由图2和图3可知，本发明能够制备得到大尺寸的al2o3/gdalo3共晶陶瓷，实施例1制备得到的al2o3/gdalo3共晶陶瓷长度为34.5mm，直径为4.5mm；实施例2制备得到的al2o3/gdalo3共晶陶瓷长度为95mm，直径为4.7mm。对实施例1制备得到的al2o3/gdalo3共晶陶瓷进行扫描电镜测试，结果如图4所示。由图4可知，本发明制备得到的al2o3/gdalo3共晶陶瓷具有组织致密、结构均匀的特点，所得al2o3/gdalo3共晶陶瓷的凝固组织细小，共晶层片间距可达0.2μm。实施例2～5制备得到的al2o3/gdalo3共晶陶瓷的扫描电镜图与实施例1类似，在此不再赘述。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。当前第1页12