一種大尺寸鎂鋁尖晶石-釔鋁石榴石共晶陶瓷的垂直布里奇曼制備法
【技術領域】
[0001]本發明涉及共晶陶瓷制備的生長方法，具體涉及一種大尺寸氧化鋁-釔鋁石榴石共晶的垂直Bridgman制備法。
【背景技術】
[0002]釔鋁石榴石(YAG)和鎂鋁尖晶石是兩個最抗蠕變的具有立方晶體結構的復合氧化物。尖晶石-釔鋁石榴石系統的復合材料可能有希望使用在非常高的溫度(>1650°C)的氧化氣氛中。鎂鋁尖晶石-釔鋁石榴石共晶陶瓷高溫下具有優異的抗氧化性、抗腐蝕性和力學性能，充分滿足人們在先進航空航天領域對高溫結構材料的苛刻要求。與傳統單晶高溫合金(密度8.0g/cm3)相比的低密度(3.lg/cm3)，具有極大的工程應用前景和潛在經濟價值。因此，近年來該材料引起世界各國的廣泛關注，有望成為1650°C以上高溫氧化性氣氛下長期工作的超高溫結構材料之一。
[0003]目前，生長鎂鋁尖晶石-釔鋁石榴石共晶的方法包括激光區熔法(LFZ)、邊界外延生長法(EFG)、微抽拉法(μ -PD)、爆炸合成法、激光懸浮區熔法(LHFZ)等。激光區熔法受限于激光光斑的直徑，不適合制備體積較大的樣品。微抽拉法因受高溫定向凝固爐體積限制，目前僅適用于制備高性能亞微米相結構陶瓷纖維；對于激光懸浮區熔法因陶瓷熔體對激光輻射的高吸收系數以及陶瓷所固有的低熱導率，從而導致其制備出的陶瓷棒材直徑或板材厚度均較小(僅為數毫米)。如何以凝固技術制備大體積、高性能的鎂鋁尖晶石-釔鋁石榴石共晶陶瓷已成為該類材料得以廣泛應用的瓶頸問題。因而當今鎂鋁尖晶石-釔鋁石榴石共晶的生長研宄重點依然是改進現有的晶體生長方法以制備更大體積共晶陶瓷，通過工藝控制和優化，減少其生長缺陷，提高共晶質量。
【發明內容】
[0004]本發明的目的為了解決上述存在的問題，而提供一種大尺寸鎂鋁尖晶石-釔鋁石植石共晶陶瓷的垂直布里奇曼(Bridgman)制備法。
[0005]本發明的一種大尺寸鎂鋁尖晶石-釔鋁石榴石共晶陶瓷的垂直布里奇曼制備法，它是按照以下步驟進行的:
[0006]一、按摩爾百分含量稱取 55mol% 的 Al203、25mol% 的 MgO 和 2011101%的 Y2O3;
[0007]二、將步驟一稱取的Al203、Mg0和Y2O3經無水乙醇濕法球磨混均后，烘干除去無水乙醇，然后在1273K下煅燒15h，再裝入筒狀塑膠模具，用液壓機在150MPa條件下冷等靜壓壓制成棒體，再將棒材在空氣氣氛下、1973K的條件下燒結3h，得棒材體料；
[0008]三、將步驟二得到的棒材生料置于經無水乙醇洗滌后放置有YAG籽晶的鉬制圓筒形坩禍內，將鉬制圓筒形坩禍裝入下降爐，封閉下降爐，首先，打開循環水系統，控制冷循環系統的出水口溫度至22?38°C，然后打開真空系統，對下降爐抽真空至真空度為5.0\10_午&后再向下降爐內通入氬氣至100即&，然后加熱升溫下降爐，使鉬制圓筒形坩禍內的棒材生料與YAG籽晶熔融后，將鉬制圓筒形坩禍以2mm/h的速度下降進行共晶生長；
[0009]四、待鉬制圓筒形坩禍下降結束后，以100K/h的速度將下降爐內溫度冷卻至室溫后，取出鉬制圓筒形坩禍內生成的晶體，在空氣氣氛、1773K的條件下退火3h，即完成所述的大尺寸鎂鋁尖晶石-釔鋁石榴石共晶陶瓷的垂直布里奇曼制備。
[0010]本發明結合定向結晶法和垂直區熔法的優點，將垂直Bridgman制備法引入到鎂鋁尖晶石-釔鋁石榴石共晶陶瓷的制備中，目的在于生長大尺寸，高性能和易于加工的鎂鋁尖晶石-釔鋁石榴石共晶陶瓷。用垂直Bridgman制備法生長高質量的共晶陶瓷的主要要求是:制備符合生長條件的坩禍，控制坩禍的移動速率和精確調節熱場的溫度梯度。晶體的尺寸依賴于坩禍的大小，晶體生長界面的穩定性則取決于坩禍的移動速率和熱場的溫度梯度。鎂鋁尖晶石-釔鋁石榴石共晶陶瓷生長的驅動力是在固液界面處維持一定的過冷度。在垂直Bridgman制備法中，這種驅動力主要依靠調節發熱體、保溫裝置以及循環水冷卻系統等使在固液界面處形成一定的溫度梯度。同時，為了獲得高質量的共晶，在爐膛內形成合適的溫場顯得十分重要。在垂直Bridgman制備法中，通過設計發熱體的形狀和改變保溫裝置的尺寸等方式，形成適合鎂鋁尖晶石-釔鋁石榴石共晶生長的熱場及熱量傳遞途徑。
[0011]本發明的包含以下有益效果:
[0012]1、相較于激光區熔法、邊界外延法等生長方法，垂直Bridgman制備法不受限于激光光斑直徑和激光輻射能量，生長出的鎂鋁尖晶石-釔鋁石榴石共晶尺寸大且具有硬度大、高溫力學性能突出、熱穩定性強等優點。
[0013]2、晶體的形狀可以隨坩禍的形狀而定，使得生成的鎂鋁尖晶石-釔鋁石榴石共晶加工余量小。
[0014]3、整個生長過程在爐膛內，不直接暴露于空氣對流的環境中，因此生長的鎂鋁尖晶石-釔鋁石榴石共晶幾乎無氣泡和包裹體。
[0015]綜上所述，采用垂直Bridgman制備法制備的鎂鋁尖晶石-釔鋁石榴石共晶陶瓷，具有尺寸大、缺陷少、硬度大、常溫和高溫力學性能突出、熱穩定性強、易加工等突出優點，因此該技術應用前景廣闊，該技術的推廣和應用具有明顯的經濟效益和社會效益。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明的大尺寸鎂鋁尖晶石-釔鋁石榴石共晶陶瓷加熱共晶過程示意圖。
【具體實施方式】
[0017]【具體實施方式】一:本實施例的一種大尺寸鎂鋁尖晶石-釔鋁石榴石共晶陶瓷的垂直布里奇曼制備法，它是按照以下步驟進行的:
[0018]一、按摩爾百分含量稱取 55mol% 的 Al203、25mol % 的 MgO 和 20mol% 的 Y2O3;
[0019]二、將步驟一稱取的Al203、Mg0和Y2O3經無水乙醇濕法球磨混均后，烘干除去無水乙醇，然后在1273K下煅燒15h，再裝入筒狀塑膠模具，用液壓機在150MPa條件下冷等靜壓壓制成棒體，再將棒材在空氣氣氛下、1973K的條件下燒結3h，得棒材體料；
[0020]三、將步驟二得到的棒材生料置于經無水乙醇洗滌后放置有YAG籽晶的鉬制圓筒形坩禍內，將鉬制圓筒形坩禍裝入下降爐，封閉下降爐，首先，打開循環水系統，控制冷循環系統的出水口溫度至22?38°C，然后打開真空系統，對下降爐抽真空至真空度為5.0\10_午&后再向下降爐內通入氬氣至100即&，然后加熱升溫下降爐，使鉬制圓筒形坩禍內的棒材生料與YAG籽晶熔融后，將鉬制圓筒形坩禍以2mm/h的速度下降進行共晶生長；
[0021]四、待鉬制圓筒形坩禍下降結束后，以100K/h的速度將下降爐內溫度冷卻至室溫后，取出鉬制圓筒形坩禍內生成的晶體，在空氣氣氛、1773K的條件下退火3h，即完成所述的大尺寸鎂鋁尖晶石-釔鋁石榴石共晶陶瓷的垂直布里奇曼制備。
[0022]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:步驟三中棒材生料加入量與鉬制圓筒形坩禍的內徑及長度關系是按照如下公式計算的:M= 3i*(d/2)2*l*P ;其中，M為生料的加入量，d為鉬制圓筒形坩禍上端口的內徑，I為鉬制圓筒形坩禍的長度，P為共晶的密度。其它與【具體實施方式】一相同。
[0023]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:鉬制圓筒形坩禍的內徑不超過下降爐熱場內的空間。其它與【具體實施方式】一相同。
[0024]【具體實施方式】四:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:鉬制圓筒形坩禍的長度不超過下降桿的行程。其它與【具體實施方式】一相同。
[0025]【具體實施方式】五:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:A120