一种制备Al2O3-GdAlO3-ZrO2三元共晶陶瓷的方法技术

一种制备Al2O3‑GdAlO3‑ZrO2三元共晶陶瓷的方法，采用激光近净成形法，通过逐层制造/层层堆积，能够得到现有技术难以制备的不同形状和尺寸的Al2O3‑GdAlO3‑ZrO2三元共晶陶瓷。制备中，本发明专利技术通过逐步减小激光功率的方法往复扫描试样上表面，以实现Al2O3‑GdAlO3‑ZrO2三元共晶陶瓷在降温过程中的温度补偿，减缓了试样的冷却速率，使试样在成形后温度逐步降低，从而减小冷却过程中的热应力，抑制裂纹的形成。本发明专利技术成形速度快，无需使用使用价格昂贵的Mo坩埚或Ir坩埚，避免了坩埚可能带来的污染，降低了生产成本，并且得到的Al2O3‑GdAlO3‑ZrO2三元共晶陶瓷的凝固组织比布里奇曼法所得试样组织细化25倍以上，且所得试样尺寸是激光悬浮区熔法所得试样尺寸的2‑3倍，拓宽该类材料的应用范围。

A Method for Preparing Al2O3-GdAlO 3-ZrO 2 Ternary Eutectic Ceramics

A method for preparing Al2O3 GdAlO3 ZrO2 ternary eutectic ceramics is presented. Al2O3 GdAlO 3 ZrO 2 ternary eutectic ceramics with different shapes and sizes can be obtained by near net laser forming and layer by layer fabrication/stacking. In preparation, the invention scans the upper surface of the sample by gradually reducing the laser power to realize temperature compensation of Al2O3 GdAlO3 ZrO2 ternary eutectic ceramics in cooling process, slows down the cooling rate of the sample, makes the temperature of the sample gradually decrease after forming, thereby reducing the thermal stress in cooling process and restraining the formation of cracks. The method has the advantages of fast forming speed, no need to use expensive Mo crucible or Ir crucible, avoiding possible pollution caused by crucible and reducing production cost, and the solidified structure of Al2O3 GdAlO 3 ZrO 2 ternary eutectic ceramics obtained is more than 25 times finer than that obtained by Bridgeman method, and the obtained sample size is 2 3 times larger than that obtained by laser suspension zone melting method. Widening the application scope of this kind of material.

【技术实现步骤摘要】
一种制备Al2O3-GdAlO3-ZrO2三元共晶陶瓷的方法
本专利技术涉及高性能氧化物共晶陶瓷材料的激光增材制造领域，具体是一种利用激光近净成形方法制备Al2O3-GdAlO3-ZrO2三元共晶陶瓷棒状试样的方法。
技术介绍
Al2O3-GdAlO3共晶陶瓷具有优异的高温力学性能、突出的组织热稳定性以及天然的抗氧化性能，被认为是一种具有广泛应用潜力的航空航天用超高温结构材料。文献“NarihitoNakagawa,HidekiOhtsubo,AtsuyukiMitani,KazutoshiShimizu,YoshiharuWaku.Hightemperaturestrengthandthermalstabilityformeltgrowthcomposite[J].JournaloftheEuropeanCeramicSociety,2005,25:1251-1257.”利用布里奇曼法制备出了Φ53mm的Al2O3-GdAlO3共晶陶瓷柱状锭，并考察了其高温力学性能。研究结果表明：其弯曲强度可由室温保持到1600℃；在1700℃的大气氛围下热暴露500h后，强度基本保持不变，凝固组织没有明显粗化，试样尺寸、表面粗糙度及重量基本没有变化。经估算，将该类氧化物共晶陶瓷应用于燃气轮机喷嘴叶片，有望提高燃气轮机9％的热效率。然而，作为结构材料使用，不仅需要具有高的强度，还需要具有高的韧性，Al2O3-GdAlO3共晶陶瓷属于典型的脆性材料，低的断裂韧性极大地制约了该材料的应用前景。文献“LéoMazerolles,NicolasPiquet,Marie-FranceTrichet,Perrière,DenisBoivin,MichelParlier.Newmicrostructuresinceramicmaterialsfromthemeltforhightemperatureapplications[J].AerospaceScienceandTechnology,2008,12:499-505.”利用定向凝固方法制备并比较了Al2O3-GdAlO3等二元共晶陶瓷及添加ZrO2后的三元共晶陶瓷的力学性能，结果表明，ZrO2的加入能显著提升试样的断裂韧性。然而，该制备方法的最大成形速率为20mm/h，制备周期太长，且需用价格昂贵的Mo坩埚或Ir坩埚，不仅可能会污染陶瓷熔体，而且大大提高了生产成本。此外，所得试样组织粗大，共晶层片间距>5μm，导致力学性能受限。因此，迫切需要开发新的Al2O3-GdAlO3-ZrO2三元共晶陶瓷的制备工艺。文献“WeidanMa,JunZhang,HaijunSu,QunRen,BinYao,LinLiu,HengzhiFu.MicrostructuretransformationfromirregulareutectictocomplexregulareutecticindirectionallysolidifiedAl2O3/GdAlO3/ZrO2ceramicsbylaserfloatingzonemelting[J].JournaloftheEuropeanCeramicSociety,2016,36:1447-1454.”利用激光悬浮区熔方法制备了棒状Al2O3-GdAlO3-ZrO2三元共晶陶瓷。该方法不需使用坩埚，不仅避免了坩埚可能带来的污染，而且大大降低了生产成本。此外，采用高能激光束作为热源，使得加工过程中温度梯度高达104K/cm，从而可以在更宽的范围内调节凝固速率。该制备方法凝固速率最快达到100μm/s(6mm/min)，远快于布里奇曼法等制备方法，所得试样组织尺寸可达亚微米尺度。然而，该方法需要首先采用特制的磨具压制预制体，随后通过烧结使预制体获得一定的加工强度，最后再将预制体利用激光熔化制备共晶陶瓷试样，制备工艺繁琐，且试样尺寸较小，最大仅为Φ3mm×40mm。文献“HaifangLiu,HaijunSu,ZhonglinShen,EnyuanWang,DiZhao,MinGuo,JunZhang,LinLiu,HengzhiFu.DirectformationofAl2O3/GdAlO3/ZrO2ternaryeutecticceramicsbyselectivelasermelting:Microstructureevolutions[J].JournaloftheEuropeanCeramicSociety,2018,38:5144-5152.”利用选择性激光熔化技术直接加工陶瓷粉末，在6mm/min的扫描速率下制备了Al2O3-GdAlO3-ZrO2三元共晶陶瓷试样。该方法不需制备预制体，大大简化了制备工序，然而，该工艺目前还不成熟，只能制备出简单形状的单道单层试样。激光近净成形技术是一种基于同步送粉的激光增材制造技术，对待加工样品的形状和尺寸没有限制，采用增维的制造理念，逐层制造、层层堆积直至获得目标样品。该技术以高能激光束作为热源，成形过程中温度梯度可达104K/cm，因此，能够在较宽的范围内调节凝固速率，以实现凝固组织的调控及获得纳米尺度的凝固组织。此外，可以根据实验需要，添加预热炉等辅助设备，以降低成形中的热应力，进而抑制裂纹的产生。因此，如果能将激光近净成形技术应用于Al2O3-GdAlO3-ZrO2三元共晶陶瓷的制备上，将有望突破现有技术难以制备复杂结构Al2O3-GdAlO3-ZrO2三元共晶陶瓷样件的瓶颈问题，从而，在一定程度上释放该材料的应用潜力并拓宽其应用范围。在公开号为CN102557596A的专利中公开了一种激光送粉法制备氧化铝基共晶陶瓷的方法，该方法利用激光表面气氛加热炉辅助加热共晶陶瓷，从而降低区熔过程中的热应力，进而抑制粉末熔化过程中裂纹的形成。但采用该方法制备的共晶陶瓷形状不规则，成形质量较差，且成形速率较低，仅为0.6-6mm/min。文献“FangyongNiu,DongjiangWu,GuangyiMa,JiangtianWang,MinhaiGuo,BiZhang.NanosizedmicrostructureofAl2O3-ZrO2(Y2O3)eutecticsfabricatedbylaserengineerednetshaping[J].ScriptaMaterialia,2015,95:39-41.”利用激光近净成形技术制备出了具有纳米级凝固组织的柱状及弧形壁状的Al2O3-ZrO2二元共晶陶瓷试样，证明了利用激光近净成形技术制备多种形状氧化物共晶陶瓷的可行性。然而，在制备过程中Al2O3及ZrO2两种原料是采用多桶送粉器分别输送到熔池内的，在快速凝固过程中两种组元可能混合不均匀。此外，该方法是否适用于其他共晶体系及更多组元如三元共晶体系并不确定。
技术实现思路
为克服目前Al2O3-GdAlO3-ZrO2三元共晶陶瓷的成形工艺加工周期长、生产成本高、工序繁琐等问题，本专利技术提出了一种制备Al2O3-GdAlO3-ZrO2三元共晶陶瓷的方法。本专利技术的具体过程是：步骤1，制备共晶组分Al2O3-Gd2O3-ZrO2球形粉末颗粒。采用离心喷雾干燥法，将按共晶配比充分混合均匀的Al2O3-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备Al2O3‑GdAlO3‑ZrO2三元共晶陶瓷的方法，其特征在于，具体过程是：步骤1，制备共晶组分Al2O3‑Gd2O3‑ZrO2球形粉末颗粒：将按共晶配比充分混合均匀的Al2O3‑Gd2O3‑ZrO2陶瓷粉末制备成球形粉末颗粒；得到的球形粉末颗粒的粒径分布为30～100μm；步骤2，装料：将得到的球形粉末颗粒装入送粉器的送粉桶中备用；步骤3，制备Al2O3‑GdAlO3‑ZrO2三元共晶陶瓷：利用激光近净成形方法，将步骤1所得的球形粉末颗粒熔化凝固并层层堆积成形，制备Al2O3‑GdAlO3‑ZrO2三元共晶陶瓷，具体制备过程为：第一步，在预热炉内放置加热Al2O3基板；第二步，设定扫描的工艺参数；第三步，制备Al2O3‑GdAlO3‑ZrO2三元共晶陶瓷；以激光喷头当前所在位置作为起点；开启激光器及送粉器；激光束经由激光喷头输出并辐射到Al2O3基板表面，Al2O3基板通过吸收激光能量熔化并形成随激光喷头的移动而延伸的熔池；同时，球形粉末颗粒通过旋转的送粉盘由送粉桶运送到送粉口，随后在送粉气体的推动下，经由输送管道最终从激光喷头的粉末通道送出并进入激光喷头下方的溶池内并熔化；当激光束离开后，熔池内熔体温度下降并凝固形成所述Al2O3‑GdAlO3‑ZrO2三元共晶陶瓷中的第一层Al2O3‑GdAlO3‑ZrO2三元共晶陶瓷；当激光喷头移动完一个单程后，即完成一个扫描长度；激光喷头上移一个提升高度，再向起点方向直线移动，在得到的第一层Al2O3‑GdAlO3‑ZrO2三元共晶陶瓷的表面继续扫描；扫描中，所述第一层Al2O3‑GdAlO3‑ZrO2三元共晶陶瓷的表面熔化形成熔池并随激光喷头的移动而延伸；同时，球形粉末颗粒通过激光喷头被送入所述溶池内并熔化；当激光束离开后，熔池内熔体温度下降并凝固形成第二层Al2O3‑GdAlO3‑ZrO2三元共晶陶瓷；重复所述制备第一层Al2O3‑GdAlO3‑ZrO2三元共晶陶瓷和第二层Al2O3‑GdAlO3‑ZrO2三元共晶陶瓷的过程，直至完成设计的制备层数，得到Al2O3‑GdAlO3‑ZrO2三元共晶陶瓷试样；步骤4，Al2O3‑GdAlO3‑ZrO2三元共晶陶瓷试样的补偿降温：通过激光喷头的逐步降温，对所述Al2O3‑GdAlO3‑ZrO2三元共晶陶瓷试样进行补偿降温；具体是：得到Al2O3‑GdAlO3‑ZrO2三元共晶陶瓷试样后，关闭送粉器，激光喷头以1000mm/min的速度上移10mm并保持该高度；所述激光喷头对该Al2O3‑GdAlO3‑ZrO2三元共晶陶瓷试样的上表面进行扫描；扫描中，所述激光喷头每运动一个单程的扫描长度，激光功率即减小10W，该直至激光喷头的激光功率降至50W；通过所述激光喷头在扫描过程中逐渐降低激光功率，对降温中的Al2O3‑GdAlO3‑ZrO2三元共晶陶瓷试样进行温度补偿，使该Al2O3‑GdAlO3‑ZrO2三元共晶陶瓷试样的温度逐步降低，从而减小冷却过程中的热应力，抑制裂纹的形成；当所述激光功率降至50W后，关闭激光器，关闭预热炉，基板及基板上的成形样件随预热炉一起自然冷却，得到Al2O3‑GdAlO3‑ZrO2三元共晶陶瓷。...

【技术特征摘要】
1.一种制备Al2O3-GdAlO3-ZrO2三元共晶陶瓷的方法，其特征在于，具体过程是：步骤1，制备共晶组分Al2O3-Gd2O3-ZrO2球形粉末颗粒：将按共晶配比充分混合均匀的Al2O3-Gd2O3-ZrO2陶瓷粉末制备成球形粉末颗粒；得到的球形粉末颗粒的粒径分布为30～100μm；步骤2，装料：将得到的球形粉末颗粒装入送粉器的送粉桶中备用；步骤3，制备Al2O3-GdAlO3-ZrO2三元共晶陶瓷：利用激光近净成形方法，将步骤1所得的球形粉末颗粒熔化凝固并层层堆积成形，制备Al2O3-GdAlO3-ZrO2三元共晶陶瓷，具体制备过程为：第一步，在预热炉内放置加热Al2O3基板；第二步，设定扫描的工艺参数；第三步，制备Al2O3-GdAlO3-ZrO2三元共晶陶瓷；以激光喷头当前所在位置作为起点；开启激光器及送粉器；激光束经由激光喷头输出并辐射到Al2O3基板表面，Al2O3基板通过吸收激光能量熔化并形成随激光喷头的移动而延伸的熔池；同时，球形粉末颗粒通过旋转的送粉盘由送粉桶运送到送粉口，随后在送粉气体的推动下，经由输送管道最终从激光喷头的粉末通道送出并进入激光喷头下方的溶池内并熔化；当激光束离开后，熔池内熔体温度下降并凝固形成所述Al2O3-GdAlO3-ZrO2三元共晶陶瓷中的第一层Al2O3-GdAlO3-ZrO2三元共晶陶瓷；当激光喷头移动完一个单程后，即完成一个扫描长度；激光喷头上移一个提升高度，再向起点方向直线移动，在得到的第一层Al2O3-GdAlO3-ZrO2三元共晶陶瓷的表面继续扫描；扫描中，所述第一层Al2O3-GdAlO3-ZrO2三元共晶陶瓷的表面熔化形成熔池并随激光喷头的移动而延伸；同时，球形粉末颗粒通过激光喷头被送入所述溶池内并熔化；当激光束离开后，熔池内熔体温度下降并凝固形成第二层Al2O3-GdAlO3-ZrO2三元共晶陶瓷；重复所述制备第一层Al2O3-GdAlO3-ZrO2三元共晶陶瓷和第二层Al2O3-GdAlO3-ZrO2三元共晶陶瓷的...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏海军，刘海方，申仲琳，张军，刘林，郭敏，傅恒志，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61