西工大苏海军团队陶瓷顶刊：共晶陶瓷耦合生长行为新进展

定向凝固氧化铝基共晶自生复合陶瓷具有高熔点、低密度、抗氧化、良好的高温力学性能、优异的组织和性能热稳定性等特点，有望成为超高温氧化性环境中长期服役的新一代结构材料。不同于传统烧结陶瓷，氧化铝基共晶自生复合陶瓷是采用定向凝固技术，利用共晶反应从熔体中原位生长而成。通过调节凝固工艺参数可以有效地控制共晶生长过程、调控凝固组织以及晶体学取向。氧化铝基共晶自生复合陶瓷具有较强的各向异性生长特征，并随着冷却速率的增大表现出明显的组织形貌变化，其中晶体学织构的演变规律和机制尚不清楚。由于凝固组织形貌、组织均匀性、晶体学取向及共晶相界面结构是影响其力学性能和功能特性的重要因素，因此有必要研究共晶陶瓷耦合生长行为及调控机制，以期达到从微观组织和晶体学织构方面的控制和剪裁，为获得综合性能优异、能够在高温氧化性环境中长期服役的超高温结构材料奠定理论基础。

近日，西北工业大学苏海军团队报道了在较宽凝固速率范围内定向凝固耦合生长的Al2O3/YAG共晶微观组织和晶体学织构特征的影响因素及转变机理。采用Magnin-Kurz(MK)模型，基于小平面相的分叉和合并很好地阐述了共晶间距的调控机制。随着凝固性速率(10 μm/s~200 μm/s)的增加，三维非规则互穿网状结构(TDI)凝固组织的规则化倾向更强。强的动力学过冷增大了取向差和界面错配度，这是由于在本工作条件下生长动力学对共晶耦合生长的主导作用比界面能最小原则更强。这一综合性的研究有助于设计高性能共晶陶瓷结构材料。相关工作以题为“Insight into the complex coupled growth

behavior of Al2O3/YAG eutectic ceramic based on the

evolutions of microstructure and crystallographic texture”的研究论文发表在Journal of the European Ceramic

Society, 2023, 43(10):4482-4497。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2023.03.064

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温度梯度随凝固速率的演变特征

激光功率、试样尺寸以及抽拉精度等因素严重影响试样内部热传导引起周期性对流等现象。这种现象宏观表现为熔区长度和形状的变化，随之引起凝固速率的变化以及凝固界面温度梯度的差异(图1)，最终导致凝固组织的不均匀。凝固速率较低时(10 μm/s)，温度梯度的平均值约为4.2×103 K/cm。随着凝固速率的增加，温度梯度的波动减弱，其平均值逐渐减小。当凝固速率提高到200 μm/s时，温度梯度减小到2.1×103 K/cm。

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图1：LFZM制备过程中温度梯度的测量：(a)熔区形状特征随凝固速率的变化；(b)凝固速率为50

μm/s时的瞬态温度分布图及熔区附近温度梯度的测量；(c)不同凝固速率下温度梯度的估算值；(d)温度梯度随凝固速率的变化

微观组织随凝固速率的演变特征

低速下Al2O3/YAG共晶陶瓷的固-液界面以平界面形式推进。随着凝固速率的增大(>30 μm/s)，固-液界面平界面失稳逐渐演变为胞状界面形貌，在横截面中心观察到共晶胞状组织，而在边缘仍有均匀的象形文字(CS)结构(图2)。微观组织的不均匀性可能是由于表面张力引起的热传导和对流使得沿固液(S/L)界面前沿的温度和成分分布的变化所致。此外，凝固速率增大后引起了共晶两相失稳，随着杂质元素在共晶胞间富集，共晶胞间组织生长速率减慢，形成如图2(c)所示的粗大组织。同时共晶胞间是最后凝固的地方，容易形成气孔等缺陷。当凝固速率从10 μm/s增加到200 μm/s时，共晶层片组织波动性趋势逐渐减小，不规则TDI结构的规则化趋势增强。

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图2：在不同凝固速率下获得的Al2O3/YAG共晶的显微结构：(a-a2)

2 μm/s；(b-b2) 10 μm/s；(c-c2)

30 μm/s；(d-d2) 50 μm/s；(e-e2)

100 μm/s；(f-f2) 200 μm/s，其中(a-f)和(a1-f1)分别是中心和边缘的横截面；(a2-f2)是纵截面。

界面能受动力学条件的影响

根据Bramfitt平面错配度公式分析了不同凝固速率下特定共晶晶体学取向关系的界面能(图3)。其中，图3a、3b和3c的错配度δ值分别为1.04%、2.47%、15.59%，结果表明较低速率凝固的相界面具有较低的界面能。尽管在高速下(200 μm/s)局部区域晶体学取向关系下能获得较小的界面能，但大的平均取向差表明晶体取向的偏离度较大，因此把其当作单一织构是极为不准确的，混乱的多晶织构倾向也证明了其高界面能的趋势。

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图3：共晶两相不同晶体学取向关系下的界面错配模拟示意图：(a)

2 μm/s；(b) 10 μm/s；(c)

50-100 μm/s；(d) 200 μm/s

共晶胞状结构的晶体学织构特征

图4定量地描述了多个胞、单个胞内和胞边界附近的取向差分布特征。胞边界粗大组织处显示了明显的取向差偏离度，不同胞之间的最大取向差可达30°左右，边界处并没有明显的取向差过渡区，每个单胞内包含有亚晶界且晶体取向偏差低于5°。共晶胞状结构取向差分布特征揭示了激光悬浮区熔高速下共晶胞结构的形成过程。由于高凝固速率下熔区对流增强且热流分布复杂，胞间存在一定的晶体学取向差。每个共晶胞在中心形核并向边缘逐渐生长，单个胞显示出近乎一致的晶体学取向，相邻共晶胞择优取向可能会产生较小的偏差度。最终，高速下的共晶耦合生长是由多个互相具有一定晶体学取向偏离度的共晶胞共同生长组成的。

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图4：定向凝固100

μm/s条件下Al2O3/YAG共晶胞状组织的取向差分布波动情况：(a)IPF；(b)线1-3(图(a)中的L1-L3)；(c)胞状组织1-3(图(a)中的C1-C3)；(d)边界1-6(图(a)中的B1-B6)；共晶胞状组织的取向示意图：(e)在距离初始位置为10

mm处获得和(e1)在距离初始位置30

mm处获得；(e2)为(e1)相对应的IPF图

综上所述，本研究采用高温度梯度激光悬浮区熔技术在不同凝固速率(2-200 μm/s)范围内基于微观组织和晶体学取向特征揭示了Al2O3/YAG共晶生长行为。凝固速率和固-液界面温度梯度是控制共晶耦合生长的主要因素，明确了组织和晶体学取向转变的临界条件。随着凝固速率的提高(10-200 μm/s)，非规则TDI结构在几何意义上的规则化趋势增强。生长动力学条件严重影响了共晶耦合生长过程中的相界面稳定性，并通过优化晶体学取向匹配关系来降低界面错配。本工作为定向凝固氧化物共晶陶瓷这种新型高性能材料的性能设计与优化提供了理论基础和技术途径。

通讯作者简介

苏海军，西北工业大学材料学院教授、博士生导师，材料学院副院长。国家优秀青年科学基金获得者，中国有色金属创新争先计划获得者，入选国家首批“香江学者”计划，陕西省“青年科技新星”、陕西高校青年创新团队学术带头人和陕西重点科技创新团队带头人。长期从事先进定向凝固技术与理论及新材料研究，涉及高温合金、高熵合金、超高温复合陶瓷、生物陶瓷、钙钛矿太阳能电池、结构功能一体化复合材料以及定向凝固与增材制造技术等。主持包括国家自然基金重点、优青等6项国家基金在内的30余项国家及省部级重要科研项目，发表SCI论文160余篇。获授权中国发明专利50项以及1项美国发明专利。参编专著3部。获陕西高校科学技术研究优秀成果特等奖、陕西省科学技术一等奖、陕西省冶金科学技术一等奖、全国有色金属优秀青年科技奖和陕西省青年科技奖各1项。

*感谢论文作者团队对本文的大力支持

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