[发明专利]一种三氧化二铝基高熵共晶陶瓷及其制备方法

说明书

本发明公开了一种Al₂O₃基高熵共晶陶瓷及其制备方法，首先，将混合原料粉和球磨溶剂混合，进行球磨、干燥、压制和烧结，得到预制件；混合原料粉为Al₂O₃、Y₂O₃、Er₂O₃、Yb₂O₃、Ho₂O₃和Lu₂O₃的混合物；之后将预制件在光悬浮区熔炉中进行定向凝固，得到Al₂O₃基高熵共晶陶瓷。这种新型的高熵共晶陶瓷由低熵相Al₂O₃和高熵相(Y_0.2Er_0.2Yb_0.2Ho_0.2Lu_0.2)₃Al₅O₁₂组成。其表现出明显的生长各向异性，低熵相和高熵相之间具有明确位向的相界面关系。该共晶陶瓷不仅组织致密，高温性能优异，而且可通过调变凝固速率，实现组织尺寸可控，性能调变。

技术领域

本发明属于共晶陶瓷制备技术领域，具体涉及一种Al₂O₃基高熵共晶陶瓷，还涉及该Al₂O₃基高熵共晶陶瓷的制备方法。

背景技术

提高燃气轮机效率是研制高性能航空发动机的有效途径，对航空工业的发展至关重要。燃气轮机的涡轮进口温度越高，涡轮热效率越大。然而，进口温度的升高将导致其工作温度接近热段构件的温度极限。特别是用镍基高温合金制造的涡轮叶片，其熔点约为1300℃，无法在1150℃以上工作。因此，需要研制新一代能够在高进气温度下长期安全运行的超高温结构材料。

近年，高熵陶瓷以其新颖的“高熵效应”和优异的性能引起了研究人员的广泛关注。高熵陶瓷是指由五种或五种以上陶瓷成分组成的多组分固溶体。在结晶过程中形成的高熵陶瓷结构存在四种效应：高熵效应、晶格畸变效应、慢扩散效应和鸡尾酒效应。由五种元素组成的等原子比合金熔体的混合熵已经可以达到1.61R，而一般金属合金的熔化熵为1R左右。高熵合金存在着严重的晶格畸变，严重的晶格畸变必然会影响到材料的力学等性能。而高熵合金的“鸡尾酒”效应是指其多种元素的本生特性和他们之间相互作用使高熵合金呈现一种复杂效应。例如，如果使用较多轻元素，合金的总体密度将会减小；如果使用较多的抗氧化元素，如铝或硅，合金的高温抗氧化能力就会提高。因此总体来说，高熵陶瓷具有比传统陶瓷更好的性能。

目前高熵陶瓷主要采用传统热压烧结方法进行制备。而传统的热压烧结技术是固固转变，所制备的高熵陶瓷存在人为相界面、玻璃相等组织缺陷，其孔洞率略高，材料的致密度不够，材料的高温组织结构稳定性和可控性差，高温力学性能差。并不适合做超高温结构材料。

近年来，定向凝固氧化物共晶自生复合材料以其独特的组织结构和优异的高温力学性能得到了广泛关注，定向凝固氧化物共晶自生复合材料中共晶相从熔体中析出自生复合，相界面以特定的晶体学关系结合，抛弃了传统的人工复合材料制备过程中的人为界面，消除粉末烧结过程中界面非晶相，提高了材料高温组织结构稳定性和高温力学性能；氧化物被融化成液体，降低了孔洞，提高了材料的致密度；定向凝固共晶自生复合材料各向异性明显，尤其在择优生长方向上表现处优异的室温和高温力学性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种Al₂O₃基高熵共晶陶瓷，所制备的Al₂O₃基(Al₂O₃/(Y_0.2Er_0.2Yb_0.2Ho_0.2Lu_0.2)₃Al₅O₁₂)高熵共晶陶瓷组织均匀，力学性能良好。