高频感应区熔法制备ZrO2纤维增韧Al2O3/ZrO2（Y2O3）凝固陶瓷的研究

作     者：兰德慧 

作者单位：天津工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘俊成;肖志斌

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：ZrO2纤维 纤维增韧 Al2O3/ZrO2(Y2O3) 微观结构 机械性能 

摘      要：氧化铝基定向凝固共晶陶瓷（directionally solidified eutectic ceramic,DSEC）在高温下具有优异的机械性能、抗氧化性能和耐腐蚀性能,有望成为新一代航空发动机和燃气轮机的高温部件材料。AlO/ZrO（YO）DSEC是典型代表之一,虽然它比同组分的烧结陶瓷具有更高的断裂韧性,但仍难以满足高温动载荷零件的要求。为进一步提高其断裂韧性。采用高频感应区熔法制备了直径为10 mm的ZrO纤维增韧AlO/ZrO（YO）DSEC,研究了生长速率（5-30 mm/h）和纤维添加量（0-20 wt.%）对相组成、微观组织和常温力学性能的影响。主要研究内容和结论如下: ZrO纤维添加量对DSEC的微观组织和室温力学性能的影响。在相同生长速率下,纤维增韧DSEC由α-AlO、c-ZrO和m-ZrO组成,随着纤维添加量的增加,c-ZrO相的衍射峰强度不断增大,晶团内相间距逐渐减小,在添加量为20 wt.%时达到1.99±0.25μm,比未添加纤维的DSEC降低了近40%;硬度逐渐增大,在20 wt.%时最大值为18.42±0.55 GPa,与未添加纤维的DSEC相比,硬度略微提升;断裂韧性先增大后减小,在添加量为10 wt.%时断裂韧性最大值为5.43±0.22 MPa·m,是未添加纤维DSEC的1.5倍。凝固陶瓷力学性能变化的主要原因是ZrO纤维的增韧作用,此外,裂纹偏转、钉扎、桥连、分叉等现象对裂纹扩展的抑制效果明显。 生长速率对纤维增韧DSEC的微观结构和力学性能的影响。纤维增韧和非增韧DSECs均由α-AlO和ZrO相组成,微观结构呈现典型的晶团结构。随着生长速率的增加,两种DSECs晶团内相间距不断减小,ZrO纤维减小了相间距约22%,相间距与生长速率之间的关系分别满足λ=10.31v和λ=13.65v。DSECs的硬度不断增大,在30 mm/h时最大值分别为17.89±0.35 GPa和17.56±0.64 GPa;断裂韧性逐渐增大,在30 mm/h时分别达到最大值5.72±0.20 MPa·m和3.62±0.23 MPa·m,前者约为后者的1.45倍。在相同生长速率下,ZrO纤维增韧DSEC的力学性能明显高于未添加纤维的DSEC。