本發(fā)明涉及超高溫結(jié)構(gòu)陶瓷領(lǐng)域，具體是通過放電等離子燒結(jié)內(nèi)部具有共晶結(jié)構(gòu)的共晶粉末來制備大尺寸塊體氧化鋁基共晶陶瓷復(fù)合材料。

技術(shù)背景

氧化鋁基復(fù)合陶瓷以其優(yōu)異的高溫力學(xué)性能、天然的抗氧化能力及較低的密度，有望作為超高溫結(jié)構(gòu)材料在高溫氧化性環(huán)境中使用，因而在航空和地面燃氣輪機高溫耐熱部件領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用潛力。截止目前，氧化鋁基復(fù)合陶瓷主要的制備方法是粉末燒結(jié)法，但其制備的材料一般呈多晶結(jié)構(gòu)，材料內(nèi)部存在晶界、氣孔以及界面非晶相，導(dǎo)致材料組織在高溫水氧環(huán)境下的均勻性和穩(wěn)定性變差，從而使強度迅速下降，極大的限制了其作為超高溫結(jié)構(gòu)材料使用。文獻(oelgardtc,andersonj,heinrichjg,etal.sintering,microstructureandmechanicalpropertiesofal2o3/y2o3/zro2(ayz)eutecticcompositionceramicmicrocomposites[j].journaloftheeuropeanceramicsociety,2010,30(3):649-656)，通過無壓和熱壓分別燒結(jié)納米級al2o3/y2o3/zro2共晶成分粉末，均獲得了高致密的共晶成分的塊體材料，材料的硬度為16～19gpa，略高于同成分定向凝固共晶材料(15～17gpa)，而斷裂斷裂韌性為2.3～4.7mpa.m^1/2，相對于同成分定向凝固材料(3～9mpa.m^1/2)較低。此外，結(jié)果表明，相對于無壓燒結(jié)，熱壓燒結(jié)能在較低燒結(jié)溫度下獲得高致密的材料，同時降低燒結(jié)過程中晶粒長大的程度，但通過熱壓燒結(jié)共晶成分粉末只能制備顆粒復(fù)合材料，材料內(nèi)部存在的晶界和界面非晶相導(dǎo)致其在高溫下的力學(xué)性能和組織穩(wěn)定性變差。

而采用定向凝固技術(shù)制備氧化物共晶陶瓷可以使材料的組織按特定方向排列，共晶兩相從熔體中自生復(fù)合，單晶相在三維空間上相互貫穿、相互纏繞，從而形成了界面潔凈、結(jié)合良好的非規(guī)則共晶凝固組織，同時消除了粉末燒結(jié)材料中的孔洞和界面非晶相。文獻(suh,zhangj,cuic,etal.rapidsolidificationofal2o3/y3al5o12/zro2,eutecticinsitucompositesbylaserzoneremelting[j].journalofcrystalgrowth,2007,307(2):448-456.)，利用激光懸浮區(qū)熔制備了具有不同共晶組織尺寸的棒狀al2o3/yag/zro2共晶試樣，其中當(dāng)抽拉速率為1000μm/s時，層片間距減小至0.15μm。同時，作者采用壓痕法測試了其硬度和斷裂韌性，獲得的al2o3/yag/zro2共晶體硬度為16.67gpa，斷裂韌性達到8.01mpa.m^1/2，與國外最高水平9mpa.m^1/2相當(dāng)。然而，由于氧化物陶瓷較高的熔點和目前定向凝固技術(shù)的限制，較難制備尺寸較大的氧化鋁基共晶陶瓷，從而限制了共晶材料的應(yīng)用。所以，迫切需要開展研究具有自主知識產(chǎn)權(quán)和能夠滿足工業(yè)應(yīng)用條件的氧化鋁基共晶材料的制備技術(shù)。

因此，研究者將目光投向了能夠制備大尺寸試樣的燒結(jié)技術(shù)，并提出了通過粉碎熔體生長共晶試樣來制備共晶粉末，然后采用燒結(jié)的方式制備大尺寸共晶陶瓷的新型制備方法。文獻(mahtai‐il,parthasarathytriplicanea,keransronaldj.processing,microstructure,andstrengthofalumina–yageutecticpolycrystals[j].journaloftheamericanceramicsociety,2010,83(8):2088-2090.)，通過電弧熔煉制備了al2o3/yag共晶體，然后通過粉碎獲得了粒徑小于150μm的共晶粉末顆粒，最后在高溫下熱壓燒結(jié)從而獲得了高致密的燒結(jié)共晶復(fù)合陶瓷，其組織中保留了共晶粉末顆粒中的共晶結(jié)構(gòu)，同時在室溫下彎曲強度為270±61mpa，高于同成分燒結(jié)顆粒復(fù)合材料，但由于其制備過程中沒有去除粒徑較小的共晶粉末顆粒，因而燒結(jié)過程中會引入大量的單相顆粒，所以得到的燒結(jié)共晶陶瓷材料中出現(xiàn)了較多的粗大多晶組織。文獻(陳思敏.zrb2-sic共晶燒結(jié)體的制備及其性能研究[d].武漢理工大學(xué),2011.)，以zrb2-sic熔煉體為原料，采用粉碎、研磨和多次過篩制備了不同粒徑的共晶粉末，然后采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)制備了致密的zrb2-sic燒結(jié)共晶體，其斷裂韌性值相比與直接燒結(jié)zrb2、sic粉體提高了15％，然而電弧熔煉制備的初始共晶試樣的微觀組織不均勻，導(dǎo)致燒結(jié)體組織不均勻，從而會限制材料性能的發(fā)揮。

所以，鑒于對氧化鋁基共晶陶瓷的應(yīng)用需要，本發(fā)明提出了一種制備大尺寸氧化物共晶陶瓷的新型方法。該方法采用激光懸浮區(qū)熔技術(shù)制備組織、性能良好的共晶試樣，然后通過放電等離子燒結(jié)內(nèi)部具有共晶結(jié)構(gòu)的共晶粉末制備大尺寸的氧化鋁基共晶復(fù)合材料。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的初始共晶試樣的微觀組織不均勻，導(dǎo)致燒結(jié)體組織不均勻，從而會限制材料性能的發(fā)揮的不足，本發(fā)明提出了一種放電等離子燒結(jié)氧化鋁基共晶陶瓷復(fù)合材料的方法。

本發(fā)明的具體過程是：

步驟1，制備試樣預(yù)制體坯料。

所述制備試樣預(yù)制體坯料時，以al2o3和y2o3或er2o3或gd2o3為原料，或者以al2o3、y2o3和zro2粉末為原料，所述的al2o3、y2o3、er2o3、gd2o3和zro2均為粉末狀。

當(dāng)以al2o3和y2o3為原料時，按照al2o3/y2o3相圖的共晶點配比；

當(dāng)以al2o3和er2o3為原料時，按照al2o3/er2o3相圖共晶點配比；

當(dāng)以al2o3和gd2o3為原料時，按照al2o3/gd2o3相圖共晶點配比；

或者以al2o3、y2o3和zro2粉末為原料，按照al2o3/y2o3/zro2相圖共晶點配比；

所述的比例均為摩爾比。

在稱量好的混合粉末中加入聚乙烯醇溶液和無水乙醇并進行充分混合攪拌；球磨機的轉(zhuǎn)速為550r/min，攪拌時間為5h，得到混合均勻的混合粉末。所述聚乙烯醇的加入量為每100g所述原料中加入10～15ml的聚乙烯醇溶液；所述無水乙醇的加入量為每100g原料中加入50～60ml。

所述的聚乙烯醇溶液是將5g聚乙烯醇加入到100ml純凈水中并加熱使聚乙烯醇溶解得到。

對得到的混合粉末進行烘干處理，得到混合均勻的陶瓷粉末；烘干溫度為80℃，烘干時間為12h。將經(jīng)過烘干處理的陶瓷粉末放入模具中，對該粉末施加100mpa單軸壓力，保壓3min后卸載壓力，得到試樣。將得到的試樣放入燒結(jié)爐中，在大氣環(huán)境中燒結(jié)2h，燒結(jié)溫度為1400～1500℃，獲得一個共晶自生復(fù)合陶瓷試樣的預(yù)制體。

重復(fù)所述配料――攪拌――烘干――加壓――燒結(jié)過程，得到多個試樣預(yù)制體坯料。

步驟2，制備試樣。

重復(fù)熔化――抽拉過程，將步驟1得到的試樣預(yù)制體坯料制備成為具有細小均勻共晶組織的試樣。以得到的該試樣的平均共晶層片間距作為所有試樣的平均共晶層片間距。

制備試樣的具體過程是：

將得到的共晶自生復(fù)合陶瓷試樣的預(yù)制體分別切割為預(yù)制體。將其中的一個預(yù)制體固定在激光懸浮區(qū)熔抽拉系統(tǒng)的試樣架上。開啟激光器對所述預(yù)制體加熱，使該預(yù)制體熔化并形成穩(wěn)定的熔區(qū)。開啟抽拉系統(tǒng)，以50～200μm/s的抽拉速率對所述熔區(qū)進行抽拉，完成試樣的定向凝固。

重復(fù)所述裝夾――熔化――抽拉過程，逐個完成對所有預(yù)制體的定向凝固，從而獲得多個直徑均勻、表面光滑無裂紋及內(nèi)部具有細小均勻共晶組織的棒狀試樣。

任意取其中一個試樣并對其進行金相處理。通過掃描電鏡觀察該試樣的組織。采用劃線法，得到該試樣的平均共晶層片間距。

步驟3，制備共晶顆粒。所述的共晶顆粒的粒徑為4～12μm，單個顆粒內(nèi)部均保留了共晶結(jié)構(gòu)組織。

所述制備共晶顆粒的具體過程是：

利用超聲波對步驟2得到的所有試樣進行清洗。將清洗后的所有破碎并過篩，獲得顆粒尺寸小于1mm的粗顆粒。

將得到的粗顆粒置于行星式球磨機的高純氧化鋁球磨罐中，并使高純氧化鋯磨球與粗顆粒的質(zhì)量比為10:1；加入無水乙醇；所述無水乙醇的加入量為所述球磨罐容積的1/5。開啟球磨機，以500r/min的轉(zhuǎn)速對粗顆粒球磨3～4h，獲得共晶粉末。對得到的共晶粉末烘干至完全干燥。

振動篩分所述完全干燥的共晶粉末時，將該共晶粉末置于孔徑為12μm的篩網(wǎng)中，將孔徑為4μm的篩網(wǎng)置于所述12μm篩網(wǎng)的下方。振動篩分中持續(xù)向所述共晶粉末中加入無水乙醇；振動篩分中所述無水乙醇的加入量以將篩網(wǎng)中的共晶粉末淹沒為宜。

步驟4，塊體共晶陶瓷復(fù)合材料的制備。通過放電等離子燒結(jié)的方法制備塊體共晶陶瓷復(fù)合材料，具體過程是：

第一，在石墨模具與共晶粉末接觸的區(qū)域鋪上石墨紙。在該石墨紙表層噴涂一層氮化硼后將共晶粉末放置于模具內(nèi)部；

第二，將裝有粉末的石墨模具置于放電等離子爐內(nèi)；對該放電等離子爐抽真空至真空度高于5×10^-1pa時，對所述共晶粉末施加30mpa的軸向壓力并保持該壓力。啟動加熱電源對該放電等離子爐加熱。

第三，放電等離子爐以120～200℃/min的速率升溫至500～600℃。熱壓爐繼續(xù)以100～150℃/min的速率升溫至1550～1580℃，并保溫5～10min。保溫結(jié)束后，停止加熱并隨爐冷卻至室溫，獲得內(nèi)部保留有共晶結(jié)構(gòu)的塊體共晶陶瓷復(fù)合材料。在冷卻過程中，當(dāng)所述放電等離子爐的溫度降至500℃時，卸除壓力，得到塊體共晶陶瓷復(fù)合材料。得到的塊體共晶陶瓷復(fù)合材料的相對密度為97.9～98.8％。

為了制備大尺寸且內(nèi)部組織細小的氧化鋁基共晶陶瓷復(fù)合材料，本發(fā)明利用激光懸浮區(qū)熔定向凝固技術(shù)制備了組織細小均勻的棒狀共晶試樣，然后通過粉碎過篩獲得內(nèi)部包含有共晶結(jié)構(gòu)的共晶粉末，最后采用放電等離子燒結(jié)制備內(nèi)部保留有共晶結(jié)構(gòu)的氧化鋁基共晶陶瓷復(fù)合材料。

對比于同成分的顆粒復(fù)合陶瓷，本發(fā)明制備的燒結(jié)共晶復(fù)合材料保留了初始共晶試樣當(dāng)中的共晶結(jié)構(gòu)，并且消除了大部分晶界和界面非晶相，進而為大尺寸氧化鋁基共晶陶瓷復(fù)合材料的制備提供了一種新思路。

與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明取得了以下有益效果：

(1)采用激光懸浮區(qū)熔定向凝固技術(shù)制備了表面光滑、無裂紋的氧化鋁基共晶共晶自生復(fù)合陶瓷，其外觀如圖1所示，同時采用掃描電鏡對其內(nèi)部組織進行分析，其組織呈典型的“象形文字”共晶形貌，如圖2所示。

(2)通過選取合適的共晶粉末粒徑而有效的將絕大部分的原始共晶結(jié)構(gòu)重新保留在燒結(jié)材料中。其中，抽拉速率為200μm/s時，共晶層片間距為0.66～1.23μm，共晶顆粒粒度分布在4～12μm且大于共晶層片間距，因此顆粒內(nèi)部能有效保留初始共晶試樣當(dāng)中的共晶結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

(3)通過放電等離子燒結(jié)對共晶粉末進行致密化，制備保留有大量細小共晶結(jié)構(gòu)的氧化鋁基共晶陶瓷復(fù)合材料，其外觀如圖4所示。此外，圖5為圖4試樣a區(qū)域的組織結(jié)構(gòu)，可以看出，通過燒結(jié)內(nèi)部包含有共晶結(jié)構(gòu)的共晶粉末，從而保留了初始共晶試樣當(dāng)中的共晶結(jié)構(gòu)，其組織同樣呈典型的“象形文字”共晶形貌。

(4)在放電等離子燒結(jié)技術(shù)中，由于其較快的升溫速率，粉末可以在數(shù)分鐘內(nèi)升溫至燒結(jié)溫度，大大縮短了燒結(jié)時間，因此能夠有效抑制燒結(jié)過程中的組織長大，從而利于獲得均勻細小組織的共晶陶瓷。

附圖說明

圖1是在凝固速率為200μm/s和加熱功率為400w時，激光懸浮區(qū)熔制備的al2o3/yag棒狀共晶自生陶瓷的宏觀試樣圖片。

圖2是當(dāng)凝固速率為200μm/s時，激光懸浮區(qū)熔獲得的al2o3/yag棒狀材料的橫截面凝固組織掃描電鏡圖片。

圖3是本發(fā)明中通過粉碎篩分后獲得的4～12μm共晶顆粒的掃描電鏡圖片。

圖4是燒結(jié)4～12μm共晶顆粒制備的塊體al2o3/yag共晶陶瓷復(fù)合材料的宏觀照片。

圖5是圖4所示al2o3/yag共晶陶瓷復(fù)合材料a區(qū)域的組織照片

圖6是本發(fā)明的工藝流程圖。

具體實施方式

實施例一

本實施是一種制備al2o3/yag塊體共晶陶瓷復(fù)合材料的方法，具體過程包括以下步驟：

步驟1，al2o3/yag共晶自生復(fù)合陶瓷試樣預(yù)制體的制備。以純度為99.99％的al2o3和y2o3粉末為原料，按照al2o3/y2o3相圖的共晶點配比，在稱量好的混合粉末中加入聚乙烯醇溶液和無水乙醇并進行充分混合攪拌；球磨機的轉(zhuǎn)速為550r/min，攪拌時間為5h，得到混合均勻的混合粉末。所述聚乙烯醇的加入量為每100g所述原料中加入15ml的聚乙烯醇溶液；所述無水乙醇的加入量為每100g原料中加入50ml。所加入的聚乙烯醇溶液是將5g聚乙烯醇加入到100ml純凈水中并加熱使聚乙烯醇溶解后得到。

對得到的混合粉末進行烘干處理，得到混合均勻的al2o3/y2o3陶瓷粉末；烘干溫度為80℃，烘干時間為12h。將8g經(jīng)過烘干處理的al2o3/y2o3陶瓷粉末放入經(jīng)過酒精清洗的不銹鋼模具中，通過壓力機對粉末施加100mpa單軸壓力，保壓3min后卸載壓力，得到長寬高分別為70mm×12mm×4mm的板狀試樣。將得到的板狀試樣放入燒結(jié)爐中，在大氣環(huán)境中燒結(jié)2h，燒結(jié)溫度為1500℃，獲得al2o3/yag共晶自生復(fù)合陶瓷試樣的預(yù)制體。燒結(jié)中，al2o3和y2o3粉末發(fā)生固相反應(yīng)，材料的相組成轉(zhuǎn)變?yōu)閍l2o3和yag兩相。

重復(fù)所述配料――攪拌――烘干――加壓――燒結(jié)過程，得到多個al2o3/yag共晶自生復(fù)合陶瓷試樣的預(yù)制體坯料。本實施例中，制備的預(yù)制體坯料為40個。

步驟2，制備試樣。利用金剛石精密切割機將得到的多個al2o3/yag共晶自生復(fù)合陶瓷試樣的預(yù)制體分別切割為長寬高為70mm×4mm×4mm的條狀預(yù)制體。將其中的一個預(yù)制體置于激光懸浮區(qū)熔抽拉系統(tǒng)的試樣架上，固牢夾緊。開啟激光器，將激光器的功率升至400w，對所述預(yù)制體加熱，使該預(yù)制體熔化，并形成穩(wěn)定的熔區(qū)。開啟抽拉系統(tǒng)，以200μm/s的抽拉速率對所述熔區(qū)進行抽拉，完成試樣的定向凝固。

重復(fù)所述裝夾――熔化――抽拉過程，逐個完成對所有預(yù)制體的定向凝固，從而獲得多個直徑均勻、表面光滑無裂紋及內(nèi)部具有細小均勻共晶組織的棒狀試樣。所述試樣直徑為2.8±0.2mm、高5±0.5cm。

任意取其中一個試樣并對其進行金相處理。通過掃描電鏡觀察該試樣的組織。采用劃線法，得到該棒狀試樣的平均共晶層片間距為1.23μm。以得到的該棒狀試樣的平均共晶層片間距作為所有棒狀試樣的平均共晶層片間距。

步驟3，制備al2o3/yag共晶顆粒。所述的共晶顆粒的粒徑為4～12μm。具體過程是：

利用超聲波對步驟2得到的所有棒狀試樣進行清洗。將清洗后的所有棒狀試樣置于顎板為高純氧化鋯的顎式破碎機中并機械破碎為顆粒狀。將得到的顆粒過篩，獲得顆粒尺寸小于1mm的al2o3/yag粗顆粒。

將得到的粗顆粒置于行星式球磨機的高純氧化鋁球磨罐中，并使高純氧化鋯磨球與粗顆粒的質(zhì)量比為10:1；加入無水乙醇；所述無水乙醇的加入量為所述球磨罐容積的1/5。開啟球磨機，以500r/min的轉(zhuǎn)速對粗顆粒球磨4h，獲得共晶粉末。對得到的共晶粉末烘干至完全干燥。

對烘干的共晶粉末進行篩分。具體是，將烘干的共晶粉末置于孔徑為12μm的篩網(wǎng)中，將孔徑為4μm的篩網(wǎng)置于所述12μm篩網(wǎng)的下方，進行振動篩分。振動篩分中持續(xù)向所述共晶粉末中加入無水乙醇；振動篩分中所述無水乙醇的加入量以將篩網(wǎng)中的共晶粉末淹沒為宜。

篩分后，將4μm篩網(wǎng)中的粉末取出，獲得目標粒度為4～12μm的al2o3/yag共晶粉末。因為得到的al2o3/yag共晶粉末的粒度尺寸大于棒狀材料的共晶間距，所以單個顆粒內(nèi)部保留了共晶結(jié)構(gòu)組織。

步驟4，塊體al2o3/yag共晶陶瓷復(fù)合材料的制備。通過放電等離子燒結(jié)的方法制備塊體al2o3/yag共晶陶瓷復(fù)合材料，具體過程是：

第一，在石墨模具與共晶粉末接觸的區(qū)域鋪上石墨紙。在該石墨紙表層噴涂一層氮化硼后將共晶粉末放置于模具內(nèi)部；

第二，將裝有粉末的石墨模具置于放電等離子爐內(nèi)，關(guān)閉爐腔，抽真空，當(dāng)真空度高于10^-1pa時，對所述共晶粉末施加30mpa的軸向壓力并保持該壓力。啟動加熱電源對該放電等離子爐加熱。

第三，放電等離子爐以150℃/min的速率升溫至600℃。熱壓爐繼續(xù)以100℃/min的速率升溫至1580℃，并保溫10min。保溫結(jié)束后，停止加熱并隨爐冷卻至室溫，獲得內(nèi)部保留有共晶結(jié)構(gòu)的塊體共晶陶瓷復(fù)合材料。在冷卻過程中，當(dāng)所述放電等離子爐的溫度降至500℃時，卸除壓力。

經(jīng)阿基米德排水法測試得到的塊體共晶陶瓷復(fù)合材料，該塊體共晶陶瓷復(fù)合材的相對密度為98.8％。

實施例二

本實施是一種制備al2o3/yag/zro2塊體共晶復(fù)合陶瓷材料的方法，具體過程包括以下步驟：

步驟1，al2o3/yag/zro2共晶自生復(fù)合陶瓷試樣預(yù)制體的制備。以純度為99.99％的al2o3、y2o3和zro2粉末為原料，按照al2o3/y2o3/zro2相圖共晶點配比。在稱量好的混合粉末中加入聚乙烯醇溶液和無水乙醇并進行充分混合攪拌；球磨機的轉(zhuǎn)速為550r/min，攪拌時間為5h，得到混合均勻的混合粉末。所述聚乙烯醇的加入量為每100g所述原料中加入10ml的聚乙烯醇溶液；所述無水乙醇的加入量為每100g原料中加入55ml。所加入的聚乙烯醇溶液是將5g聚乙烯醇加入到100ml純凈水中并加熱使聚乙烯醇溶解后得到。

對得到的混合粉末進行烘干處理，得到混合均勻的al2o3/y2o3/zro2陶瓷粉末；烘干溫度為80℃，烘干時間為12h。將10g經(jīng)過烘干處理的al2o3/y2o3/zro2陶瓷粉末放入經(jīng)過酒精清洗的不銹鋼模具中，通過壓力機對粉末施加100mpa單軸壓力，保壓3min后卸載壓力，得到長寬高分別為70mm×12mm×4mm的板狀試樣。將得到的板狀試樣放入燒結(jié)爐中，在大氣環(huán)境中燒結(jié)2h，燒結(jié)溫度為1400℃，獲得al2o3/yag/zro2共晶自生復(fù)合陶瓷試樣的預(yù)制體。燒結(jié)中，al2o3和y2o3粉末發(fā)生固相反應(yīng)，材料的相組成轉(zhuǎn)變?yōu)閍l2o3和yag兩相。

重復(fù)所述配料――攪拌――烘干――加壓――燒結(jié)過程，得到多個al2o3/yag/zro2共晶自生復(fù)合陶瓷試樣的預(yù)制體坯料。本實施例中，制備的預(yù)制體坯料為40個。

步驟2，制備試樣。利用金剛石精密切割機將得到的多個al2o3/yag/zro2共晶自生復(fù)合陶瓷試樣的預(yù)制體分別切割為長寬高為70mm×4mm×4mm的條狀預(yù)制體。將其中的一個預(yù)制體置于激光懸浮區(qū)熔抽拉系統(tǒng)的試樣架上，固牢夾緊。開啟激光器，將激光器的功率升至300w，對所述預(yù)制體加熱，使該預(yù)制體熔化，并形成穩(wěn)定的熔區(qū)。開啟抽拉系統(tǒng)，以50μm/s的抽拉速率對所述熔區(qū)進行抽拉，完成試樣的定向凝固。

重復(fù)所述裝夾――熔化――抽拉過程，逐個完成對所有預(yù)制體的定向凝固，從而獲得多個直徑均勻、表面光滑無裂紋及內(nèi)部具有細小均勻共晶組織的棒狀試樣。所述試樣直徑為2.8±0.2mm、高5±0.5cm。

任意取其中一個試樣并對其進行金相處理。通過掃描電鏡觀察該試樣的組織。采用劃線法，得到該棒狀試樣的平均共晶層片間距為0.66μm。以得到的該棒狀試樣的平均共晶層片間距作為所有棒狀試樣的平均共晶層片間距。

步驟3，制備al2o3/yag/zro2共晶顆粒。所述的共晶顆粒的粒徑為4～12μm。具體過程是：

利用超聲波對步驟2得到的所有棒狀試樣進行清洗。將清洗后的所有棒狀試樣置于顎板為高純氧化鋯的顎式破碎機中并機械破碎為顆粒狀。將得到的顆粒過篩，獲得顆粒尺寸小于1mm的al2o3/yag/zro2粗顆粒。

將得到的粗顆粒置于行星式球磨機的高純氧化鋁球磨罐中，并使高純氧化鋯磨球與粗顆粒的質(zhì)量比為10:1；加入無水乙醇；所述無水乙醇的加入量為所述球磨罐容積的1/5。開啟球磨機，以500r/min的轉(zhuǎn)速對粗顆粒球磨3h，獲得共晶粉末。對得到的共晶粉末烘干至完全干燥。

對烘干的共晶粉末進行篩分。具體是，將烘干的共晶粉末置于孔徑為12μm的篩網(wǎng)中，將孔徑為4μm的篩網(wǎng)置于所述12μm篩網(wǎng)的下方，進行振動篩分。振動篩分中持續(xù)向所述共晶粉末中加入無水乙醇；振動篩分中所述無水乙醇的加入量以將篩網(wǎng)中的共晶粉末淹沒為宜。

篩分后，將4μm篩網(wǎng)中的粉末取出，獲得目標粒度為4～12μm的al2o3/yag/zro2共晶粉末。因為得到的al2o3/yag/zro2共晶粉末的粒度尺寸大于棒狀材料的共晶層片間距，所以單個顆粒內(nèi)部保留了共晶結(jié)構(gòu)組織。

步驟4，塊體al2o3/yag/zro2共晶陶瓷復(fù)合材料的制備。通過放電等離子燒結(jié)的方法制備塊體al2o3/yag/zro2共晶陶瓷復(fù)合材料，具體過程是：

第一，在石墨模具與共晶粉末接觸的區(qū)域鋪上石墨紙。在該石墨紙表層噴涂一層氮化硼后將共晶粉末放置于模具內(nèi)部；

第二，將裝有粉末的石墨模具置于放電等離子爐內(nèi)，關(guān)閉爐腔，抽真空，當(dāng)真空度高于10^-1pa時，對所述共晶粉末施加30mpa的軸向壓力并保持該壓力。啟動加熱電源對該放電等離子爐加熱。

第三，放電等離子爐以120℃/min的速率升溫至500℃。熱壓爐繼續(xù)以100℃/min的速率升溫至1550℃，并保溫10min。保溫結(jié)束后，停止加熱并隨爐冷卻至室溫，獲得內(nèi)部保留有共晶結(jié)構(gòu)的塊體共晶陶瓷復(fù)合材料。在冷卻過程中，當(dāng)所述放電等離子爐的溫度降至500℃時，卸除壓力。

經(jīng)阿基米德排水法測試得到的塊體共晶陶瓷復(fù)合材料，該塊體共晶陶瓷復(fù)合材的相對密度為97.9％。

實施例三

本實施是一種制備al2o3/yag/zro2塊體共晶復(fù)合陶瓷材料的方法，具體過程包括以下步驟：

步驟1，al2o3/yag/zro2共晶自生復(fù)合陶瓷試樣預(yù)制體的制備。以純度為99.99％的al2o3、y2o3和zro2粉末為原料，按照al2o3/y2o3/zro2相圖共晶點配比。在稱量好的混合粉末中加入聚乙烯醇溶液和無水乙醇并進行充分混合攪拌；球磨機的轉(zhuǎn)速為550r/min，攪拌時間為5h，得到混合均勻的混合粉末。所述聚乙烯醇的加入量為每100g所述原料中加入13ml的聚乙烯醇溶液；所述無水乙醇的加入量為每100g原料中加入60ml。所加入的聚乙烯醇溶液是將5g聚乙烯醇加入到100ml純凈水中并加熱使聚乙烯醇溶解后得到。

對得到的混合粉末進行烘干處理，得到混合均勻的al2o3/y2o3/zro2陶瓷粉末；烘干溫度為80℃，烘干時間為12h。將10g經(jīng)過烘干處理的al2o3/y2o3/zro2陶瓷粉末放入經(jīng)過酒精清洗的不銹鋼模具中，通過壓力機對粉末施加100mpa單軸壓力，保壓3min后卸載壓力，得到長寬高分別為70mm×12mm×4mm的板狀試樣。將得到的板狀試樣放入燒結(jié)爐中，在大氣環(huán)境中燒結(jié)2h，燒結(jié)溫度為1450℃，獲得al2o3/yag/zro2共晶自生復(fù)合陶瓷試樣的預(yù)制體。燒結(jié)中，al2o3和y2o3粉末發(fā)生固相反應(yīng)，材料的相組成轉(zhuǎn)變?yōu)閍l2o3和yag兩相。

重復(fù)所述配料――攪拌――烘干――加壓――燒結(jié)過程，得到多個al2o3/yag/zro2共晶自生復(fù)合陶瓷試樣的預(yù)制體坯料。本實施例中，制備的預(yù)制體坯料為40個。

步驟2，制備試樣。利用金剛石精密切割機將得到的多個al2o3/yag/zro2共晶自生復(fù)合陶瓷試樣的預(yù)制體分別切割為長寬高為70mm×4mm×4mm的條狀預(yù)制體。將其中的一個預(yù)制體置于激光懸浮區(qū)熔抽拉系統(tǒng)的試樣架上，固牢夾緊。開啟激光器，將激光器的功率升至300w，對所述預(yù)制體加熱，使該預(yù)制體熔化，并形成穩(wěn)定的熔區(qū)。開啟抽拉系統(tǒng)，以100μm/s的抽拉速率對所述熔區(qū)進行抽拉，完成試樣的定向凝固。

重復(fù)所述裝夾――熔化――抽拉過程，逐個完成對所有預(yù)制體的定向凝固，從而獲得多個直徑均勻、表面光滑無裂紋及內(nèi)部具有細小均勻共晶組織的棒狀試樣。所述試樣直徑為2.8±0.2mm、高5±0.5cm。

任意取其中一個試樣并對其進行金相處理。通過掃描電鏡觀察該試樣的組織。采用劃線法，得到該棒狀試樣的平均共晶層片間距為0.49μm。以得到的該棒狀試樣的平均共晶層片間距作為所有棒狀試樣的平均共晶層片間距。

步驟3，制備al2o3/yag/zro2共晶顆粒。所述的共晶顆粒的粒徑為4～12μm。具體過程是：

利用超聲波對步驟2得到的所有棒狀試樣進行清洗。將清洗后的所有棒狀試樣置于顎板為高純氧化鋯的顎式破碎機中并機械破碎為顆粒狀。將得到的顆粒過篩，獲得顆粒尺寸小于1mm的al2o3/yag/zro2粗顆粒。

將得到的粗顆粒置于行星式球磨機的高純氧化鋁球磨罐中，并使高純氧化鋯磨球與粗顆粒的質(zhì)量比為10:1；加入無水乙醇；所述無水乙醇的加入量為所述球磨罐容積的1/5。開啟球磨機，以500r/min的轉(zhuǎn)速對粗顆粒球磨3.5h，獲得共晶粉末。對得到的共晶粉末烘干至完全干燥。

對烘干的共晶粉末進行篩分。具體是，將烘干的共晶粉末置于孔徑為12μm的篩網(wǎng)中，將孔徑為4μm的篩網(wǎng)置于所述12μm篩網(wǎng)的下方，進行振動篩分。振動篩分中持續(xù)向所述共晶粉末中加入無水乙醇；振動篩分中所述無水乙醇的加入量以將篩網(wǎng)中的共晶粉末淹沒為宜。

篩分后，將4μm篩網(wǎng)中的粉末取出，獲得目標粒度為4～12μm的al2o3/yag/zro2共晶粉末。因為得到的al2o3/yag/zro2共晶粉末的粒度尺寸大于棒狀材料的共晶層片間距，所以單個顆粒內(nèi)部保留了共晶結(jié)構(gòu)組織。

步驟4，塊體al2o3/yag/zro2共晶陶瓷復(fù)合材料的制備。通過放電等離子燒結(jié)的方法制備塊體al2o3/yag/zro2共晶陶瓷復(fù)合材料，具體過程是：

第一，在石墨模具與共晶粉末接觸的區(qū)域鋪上石墨紙。在該石墨紙表層噴涂一層氮化硼后將共晶粉末放置于模具內(nèi)部；

第二，將裝有粉末的石墨模具置于放電等離子爐內(nèi)，關(guān)閉爐腔，抽真空，當(dāng)真空度高于10^-1pa時，對所述共晶粉末施加30mpa的軸向壓力并保持該壓力。啟動加熱電源對該放電等離子爐加熱。

第三，放電等離子爐以130℃/min的速率升溫至550℃。熱壓爐繼續(xù)以120℃/min的速率升溫至1560℃，并保溫5min。保溫結(jié)束后，停止加熱并隨爐冷卻至室溫，獲得內(nèi)部保留有共晶結(jié)構(gòu)的塊體共晶陶瓷復(fù)合材料。在冷卻過程中，當(dāng)所述放電等離子爐的溫度降至500℃時，卸除壓力。

經(jīng)阿基米德排水法測試得到的塊體共晶陶瓷復(fù)合材料，該塊體共晶陶瓷復(fù)合材的相對密度為98.1％。

實施例四

本實施是一種制備al2o3/eag塊體共晶復(fù)合陶瓷材料的方法，具體過程包括以下步驟：

步驟1，al2o3/eag共晶自生復(fù)合陶瓷試樣預(yù)制體的制備。以純度為99.99％的al2o3和er2o3粉末為原料，按照al2o3/er2o3相圖共晶點配比。

在稱量好的混合粉末中加入聚乙烯醇溶液和無水乙醇并進行充分混合攪拌；球磨機的轉(zhuǎn)速為550r/min，攪拌時間為5h，得到混合均勻的混合粉末。所述聚乙烯醇的加入量為每100g所述原料中加入15ml的聚乙烯醇溶液；所述無水乙醇的加入量為每100g原料中加入60ml。所加入的聚乙烯醇溶液是將5g聚乙烯醇加入到100ml純凈水中并加熱使聚乙烯醇溶解后得到。

對得到的混合粉末進行烘干處理，得到混合均勻的al2o3/er2o3陶瓷粉末；烘干溫度為80℃，烘干時間為12h。將8g經(jīng)過烘干處理的al2o3/er2o3陶瓷粉末放入經(jīng)過酒精清洗的不銹鋼模具中，通過壓力機對粉末施加100mpa單軸壓力，保壓3min后卸載壓力，得到長寬高分別為70mm×12mm×4mm的板狀試樣。將得到的板狀試樣放入燒結(jié)爐中，在大氣環(huán)境中燒結(jié)2h，燒結(jié)溫度為1500℃，獲得al2o3/eag共晶自生復(fù)合陶瓷試樣的預(yù)制體。燒結(jié)中，al2o3和er2o3粉末發(fā)生固相反應(yīng)，材料的相組成轉(zhuǎn)變?yōu)閍l2o3和eag兩相。

重復(fù)所述配料――攪拌――烘干――加壓――燒結(jié)過程，得到多個al2o3/eag共晶自生復(fù)合陶瓷試樣的預(yù)制體坯料。本實施例中，制備的預(yù)制體坯料為40個。

步驟2，制備試樣。利用金剛石精密切割機將得到的多個al2o3/eag共晶自生復(fù)合陶瓷試樣的預(yù)制體分別切割為長寬高為70mm×4mm×4mm的條狀預(yù)制體。將其中的一個預(yù)制體置于激光懸浮區(qū)熔抽拉系統(tǒng)的試樣架上，固牢夾緊。開啟激光器，將激光器的功率升至400w，對所述預(yù)制體加熱，使該預(yù)制體熔化，并形成穩(wěn)定的熔區(qū)。開啟抽拉系統(tǒng)，以150μm/s的抽拉速率對所述熔區(qū)進行抽拉，完成試樣的定向凝固。

重復(fù)所述裝夾――熔化――抽拉過程，逐個完成對所有預(yù)制體的定向凝固，從而獲得多個直徑均勻、表面光滑無裂紋及內(nèi)部具有細小均勻共晶組織的棒狀試樣。所述試樣直徑為2.8±0.2mm、高5±0.5cm。

任意取其中一個試樣并對其進行金相處理。通過掃描電鏡觀察該試樣的組織。采用劃線法，得到該棒狀試樣的平均共晶層片間距為0.81μm。以得到的該棒狀試樣的平均共晶層片間距作為所有棒狀試樣的平均共晶層片間距。

步驟3，制備al2o3/eag共晶顆粒。所述的共晶顆粒的粒徑為4～12μm。具體過程是：

利用超聲波對步驟2得到的所有棒狀試樣進行清洗。將清洗后的所有棒狀試樣置于顎板為高純氧化鋯的顎式破碎機中并機械破碎為顆粒狀。將得到的顆粒過篩，獲得顆粒尺寸小于1mm的al2o3/eag粗顆粒。

將得到的粗顆粒置于行星式球磨機的高純氧化鋁球磨罐中，并使高純氧化鋯磨球與粗顆粒的質(zhì)量比為10:1；加入無水乙醇；所述無水乙醇的加入量為所述球磨罐容積的1/5。開啟球磨機，以500r/min的轉(zhuǎn)速對粗顆粒球磨4h，獲得共晶粉末。對得到的共晶粉末烘干至完全干燥。

對烘干的共晶粉末進行篩分。具體是，將烘干的共晶粉末置于孔徑為12μm的篩網(wǎng)中，將孔徑為4μm的篩網(wǎng)置于所述12μm篩網(wǎng)的下方，進行振動篩分。振動篩分中持續(xù)向所述共晶粉末中加入無水乙醇；振動篩分中所述無水乙醇的加入量以將篩網(wǎng)中的共晶粉末淹沒為宜。

篩分后，將4μm篩網(wǎng)中的粉末取出，獲得目標粒度為4～12μm的al2o3/eag共晶粉末。因為得到的al2o3/eag共晶粉末的粒度尺寸大于棒狀材料的共晶間距，所以單個顆粒內(nèi)部保留了共晶結(jié)構(gòu)組織。

步驟4，塊體al2o3/eag共晶陶瓷復(fù)合材料的制備。通過放電等離子燒結(jié)的方法制備塊體al2o3/eag共晶陶瓷復(fù)合材料，具體過程是：

第一，在石墨模具與共晶粉末接觸的區(qū)域鋪上石墨紙。在該石墨紙表層噴涂一層氮化硼后將共晶粉末放置于模具內(nèi)部；

第二，將裝有粉末的石墨模具置于放電等離子爐內(nèi)，關(guān)閉爐腔，抽真空，當(dāng)真空度高于10^-1pa時，對所述共晶粉末施加30mpa的軸向壓力并保持該壓力。啟動加熱電源對該放電等離子爐加熱。

第三，放電等離子爐以180℃/min的速率升溫至580℃。熱壓爐繼續(xù)以140℃/min的速率升溫至1570℃，并保溫8min。保溫結(jié)束后，停止加熱并隨爐冷卻至室溫，獲得內(nèi)部保留有共晶結(jié)構(gòu)的塊體共晶陶瓷復(fù)合材料。在冷卻過程中，當(dāng)所述放電等離子爐的溫度降至500℃時，卸除壓力。

經(jīng)阿基米德排水法測試得到的塊體共晶陶瓷復(fù)合材料，該塊體共晶陶瓷復(fù)合材的相對密度為98.4％。

實施例五

本實施是一種制備al2o3/gap塊體共晶復(fù)合陶瓷材料的方法，具體過程包括以下步驟：

步驟1，al2o3/gap共晶自生復(fù)合陶瓷試樣預(yù)制體的制備。以純度為99.99％的al2o3和gd2o3粉末為原料，按照al2o3/gd2o3相圖共晶點配比。

在稱量好的混合粉末中加入聚乙烯醇溶液和無水乙醇并進行充分混合攪拌；球磨機的轉(zhuǎn)速為550r/min，攪拌時間為5h，得到混合均勻的混合粉末。所述聚乙烯醇的加入量為每100g所述原料中加入14ml的聚乙烯醇溶液；所述無水乙醇的加入量為每100g原料中加入60ml。所加入的聚乙烯醇溶液是將5g聚乙烯醇加入到100ml純凈水中并加熱使聚乙烯醇溶解后得到。

對得到的混合粉末進行烘干處理，得到混合均勻的al2o3/gd2o3陶瓷粉末；烘干溫度為80℃，烘干時間為12h。將8g經(jīng)過烘干處理的al2o3/gd2o3陶瓷粉末放入經(jīng)過酒精清洗的不銹鋼模具中，通過壓力機對粉末施加100mpa單軸壓力，保壓3min后卸載壓力，得到長寬高分別為70mm×12mm×4mm的板狀試樣。將得到的板狀試樣放入燒結(jié)爐中，在大氣環(huán)境中燒結(jié)2h，燒結(jié)溫度為1500℃，獲得al2o3/gap共晶自生復(fù)合陶瓷試樣的預(yù)制體。燒結(jié)中al2o3和gd2o3粉末發(fā)生固相反應(yīng)，材料的相組成轉(zhuǎn)變?yōu)閍l2o3和gap兩相。

重復(fù)所述配料――攪拌――烘干――加壓――燒結(jié)過程，得到多個al2o3/gap共晶自生復(fù)合陶瓷試樣的預(yù)制體坯料。本實施例中，制備的預(yù)制體坯料為40個。

步驟2，制備試樣。利用金剛石精密切割機將得到的多個al2o3/gap共晶自生復(fù)合陶瓷試樣的預(yù)制體分別切割為長寬高為70mm×4mm×4mm的條狀預(yù)制體。將其中的一個預(yù)制體置于激光懸浮區(qū)熔抽拉系統(tǒng)的試樣架上，固牢夾緊。開啟激光器，將激光器的功率升至400w，對所述預(yù)制體加熱，使該預(yù)制體熔化，并形成穩(wěn)定的熔區(qū)。開啟抽拉系統(tǒng)，以200μm/s的抽拉速率對所述熔區(qū)進行抽拉，完成試樣的定向凝固。

重復(fù)所述裝夾――熔化――抽拉過程，逐個完成對所有預(yù)制體的定向凝固，從而獲得多個直徑均勻、表面光滑無裂紋及內(nèi)部具有細小均勻共晶組織的棒狀試樣。所述試樣直徑為2.8±0.2mm、高5±0.5cm。

任意取其中一個試樣并對其進行金相處理。通過掃描電鏡觀察該試樣的組織。采用劃線法，得到該棒狀試樣的平均共晶層片間距為1.12μm。以得到的該棒狀試樣的平均共晶層片間距作為所有棒狀試樣的平均共晶層片間距。

步驟3，制備al2o3/gap共晶顆粒。所述的共晶顆粒的粒徑為4～12μm。具體過程是：

利用超聲波對步驟2得到的所有棒狀試樣進行清洗。將清洗后的所有棒狀試樣置于顎板為高純氧化鋯的顎式破碎機中并機械破碎為顆粒狀。將得到的顆粒過篩，獲得顆粒尺寸小于1mm的al2o3/gap粗顆粒。

將得到的粗顆粒置于行星式球磨機的高純氧化鋁球磨罐中，并使高純氧化鋯磨球與粗顆粒的質(zhì)量比為10:1；加入無水乙醇；所述無水乙醇的加入量為所述球磨罐容積的1/5。開啟球磨機，以500r/min的轉(zhuǎn)速對粗顆粒球磨3.5h，獲得共晶粉末。對得到的共晶粉末烘干至完全干燥。

對烘干的共晶粉末進行篩分。具體是，將烘干的共晶粉末置于孔徑為12μm的篩網(wǎng)中，將孔徑為4μm的篩網(wǎng)置于所述12μm篩網(wǎng)的下方，進行振動篩分。振動篩分中持續(xù)向所述共晶粉末中加入無水乙醇；振動篩分中所述無水乙醇的加入量以將篩網(wǎng)中的共晶粉末淹沒為宜。

篩分后，將4μm篩網(wǎng)中的粉末取出，獲得目標粒度為4～12μm的al2o3/gap共晶粉末。因為得到的al2o3/gap共晶粉末的粒度尺寸大于棒狀材料的共晶間距，所以單個顆粒內(nèi)部保留了共晶結(jié)構(gòu)組織。

步驟4，塊體al2o3/gap共晶陶瓷復(fù)合材料的制備。通過放電等離子燒結(jié)的方法制備塊體al2o3/gap共晶陶瓷復(fù)合材料，具體過程是：

第一，在石墨模具與共晶粉末接觸的區(qū)域鋪上石墨紙。在該石墨紙表層噴涂一層氮化硼后將共晶粉末放置于模具內(nèi)部；

第二，將裝有粉末的石墨模具置于放電等離子爐內(nèi)，關(guān)閉爐腔，抽真空，當(dāng)真空度高于10^-1pa時，對所述共晶粉末施加30mpa的軸向壓力并保持該壓力。啟動加熱電源對該放電等離子爐加熱。

第三，放電等離子爐以200℃/min的速率升溫至580℃。熱壓爐繼續(xù)以150℃/min的速率升溫至1570℃，并保溫8min。保溫結(jié)束后，停止加熱并隨爐冷卻至室溫，獲得內(nèi)部保留有共晶結(jié)構(gòu)的塊體共晶陶瓷復(fù)合材料。在冷卻過程中，當(dāng)所述放電等離子爐的溫度降至500℃時，卸除壓力。

經(jīng)阿基米德排水法測試得到的塊體共晶陶瓷復(fù)合材料，該塊體共晶陶瓷復(fù)合材的相對密度為98.6％。