氧化鋁基共晶陶瓷的定向凝固生長及其力學(xué)性能研究

《氧化鋁基共晶陶瓷的定向凝固生長及其力學(xué)性能研究》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。

1、博士學(xué)位論文氧化鋁基共晶陶瓷的定向凝固生長及其力學(xué)性能研究GROWTHANDMECHANICALPROPERTIESOFALUMINA-BASEDEUTECTICCERAMICSBYDIRECTIONALSOLIDIFICATIONMETHOD聶穎哈爾濱工業(yè)大學(xué)2018年6月國內(nèi)圖書分類號(hào)：O78學(xué)校代碼：10213國際圖書分類號(hào)：548密級(jí)：公開工學(xué)博士學(xué)位論文氧化鋁基共晶陶瓷的定向凝固生長及其力學(xué)性能研究博士研究生：聶穎導(dǎo)師：張明福教授/博導(dǎo)申請學(xué)位：工學(xué)博士學(xué)科：航空宇航科學(xué)與技術(shù)所在單位：航天學(xué)院答辯日期：2018年6月授予學(xué)位單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)ClassifiedIn

2、dex:O78U.D.C:548DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringGROWTHANDMECHANICALPROPERTIESOFALUMINA-BASEDEUTECTICCERAMICSBYDIRECTIONALSOLIDIFICATIONMETHODCandidate：YingNieSupervisor：Prof.MingfuZhangAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：AerospaceScienceandTechnologyAffiliation

3、：SchoolofAstronauticsDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要航空航天技術(shù)的迅猛發(fā)展迫切需求具有高推重比、高效率和高可靠性的航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，而提高其內(nèi)部的渦輪前進(jìn)口溫度將有效地提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和效率，但服役環(huán)境（高溫、高負(fù)荷、復(fù)雜應(yīng)力和熱沖擊等）的愈加苛刻，對結(jié)構(gòu)材料的性能要求也越來越高。氧化鋁基復(fù)合共晶陶瓷以其輕質(zhì)、高熔點(diǎn)、高比強(qiáng)度、優(yōu)異的高溫抗氧化性能和熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，能夠減輕發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的質(zhì)量和降低渦輪葉片的冷氣量，并可在高溫

4、氧化環(huán)境中長期工作，日益受到國內(nèi)外研究人員的廣泛重視。定向凝固制備技術(shù)在改進(jìn)傳統(tǒng)的粉末燒結(jié)法缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，將過熱的均勻熔體沿特定方向的溫度梯度按一定速度非均勻冷卻，使熔體依次結(jié)晶形成共晶組織。徹底消除了兩相之間的非晶相界面，各組分之間以單晶的狀態(tài)交互存在，致密度達(dá)到98%以上，保證了材料高溫力學(xué)性能的穩(wěn)定性。而目前的制備方法所得的共晶尺寸小、利用率較低，僅能達(dá)到實(shí)驗(yàn)室理論研究的要求，無法滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。本文針對上述問題，基于成熟的單晶生長經(jīng)驗(yàn)和設(shè)備，將水平定向凝固法（HDS法）引入到大尺寸Al2O3/YAG共晶陶瓷的制備中。通過改進(jìn)溫場設(shè)計(jì)和修正生長參數(shù)，提升共晶品質(zhì)。探討了

5、在生長速率和籽晶的調(diào)控下，共晶的凝固組織結(jié)構(gòu)、晶體學(xué)取向、熱學(xué)性能、力學(xué)性能和熱震性能的影響變化規(guī)律。同時(shí)，渦輪葉片在啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)會(huì)經(jīng)歷快速的溫度變化，引起熱沖擊反應(yīng)。針對氧化鋁基共晶陶瓷抗熱震性能研究的不足，本文采用激光區(qū)熔法（LFZ法）制備室溫?cái)嗔褟?qiáng)度差異較大的Al2O3/YAG、Al2O3/EAG二元和Al2O3/EAG/ZrO2三元共晶陶瓷，詳細(xì)地分析了影響其抗熱震溫差的因素，為后續(xù)的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。采用水平定向凝固法生長出大尺寸舟形板狀的Al2O3/YAG共晶陶瓷，尺寸為(145±5)mm×(90±5)mm×(25±5)mm，生長速率為10mm/h和20mm/h，使用的片

6、狀籽晶是分別沿垂直于生長方向（垂直籽晶）和平行于生長方向（平行籽晶）從50mm/h-Al2O3/YAG共晶中截取出來的。共晶在真空氛圍下生長，1500°C×25h的退火處理既可消除氧空位，又釋放了殘余熱應(yīng)力，對于提高共晶的結(jié)構(gòu)完整性和力學(xué)強(qiáng)度必不可少。同時(shí)，長時(shí)間高溫(1700°C×100h)熱處理后，共晶無晶粒長大、粗化現(xiàn)象，熱穩(wěn)定性好。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，分別沿垂直于生長方向（T方向）和平行于生長方向（L方向）制備試樣。水平定向凝固法制備的Al2O3/YAG共晶的微觀形貌顯示出兩相呈無晶界的三維互穿交錯(cuò)分布，10mm/h和20mm/h的共晶層間距幾乎無差別，50mm/h的共晶層間距

7、明顯減小。兩相的擇優(yōu)取向會(huì)部分地從籽晶中復(fù)制，但由于此二元體系遵-I-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文循小晶面-小晶面的不規(guī)則生長模式，擇優(yōu)取向關(guān)系復(fù)雜，特別是立方晶系的YAG相。其中，平行籽晶共晶或L方向試樣的擇優(yōu)取向相對清晰。水平定向凝固法制備的Al2O3/YAG共晶陶瓷的維氏硬度、斷裂韌性和楊氏模量不隨共晶參數(shù)的不同而明顯地改變。裂紋傳播過程中通過裂紋捕獲、偏轉(zhuǎn)和分叉等消耗其擴(kuò)展動(dòng)能，起到增韌的效果。不同的HDS-Al2O3/YAG共晶可保持其穩(wěn)定的彎曲強(qiáng)度直至1200°C或