《Journal of Alloys and Compounds》：Effects of Prolonged Heat Treatment on the Microstructure and Mechanical Properties of Al?O?/ZrO?(Y?O?) Eutectic Ceramics
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Al?O?/ZrO?(Y?O?)方向凝固共晶陶瓷通过感应加热区熔法制备，系统研究了熔区温度（1900-2300℃）、Y?O?含量（0-12mol%）及热处理（1500℃×0-500h）对微观结构和力学性能的影响。结果表明：2100℃制备的3Y样品硬度达14.6GPa，断裂韧性9.8MPa·m1/2最优；高Y?O?（9-12mol%）样品经500h热处理后性能稳定，低含量（1-6mol%）样品因共晶间距λ减小导致性能显著劣化，确定λ≈7μm为热稳定性临界阈值。
Jingfeng Li|Shuoyan Zhai|Haiyue Xu|Yana Wang|Qinxing Xie|Juncheng Liu
天津工业大学材料科学与工程学院，中国天津300387
摘要
定向凝固的共晶陶瓷（DSECs）因其优异的机械强度和在高温（1600 ℃或以上）下的抗氧化性，被认为是下一代高性能航空发动机热端部件的最有前途的候选材料之一。在长期热循环过程中，其微观结构和机械性能的稳定性对其实际应用至关重要。本文采用感应加热区熔化（IHZM）方法制备了Al?O?/ZrO?(Y?O?) DSECs，并研究了区熔化温度（1900–2300 °C）、Y?O?含量（0–12 mol%）以及热处理时间（0、100、300和500 h）对微观结构和机械性能的影响。结果表明，当Y?O?含量为3 mol%时，最佳区熔化温度为2100 ℃，该条件下DSECs的硬度达到14.6 GPa，断裂韧性为9.8 MPa·m1/2。对于Y?O?含量较高的DSECs（9–12 mol%），在1500 ℃下热处理500小时后，其共晶间距（λ）和机械性能保持稳定。相比之下，Y?O?含量较低的DSECs（1–6 mol%）在晶界区域表现出显著的λ减小，从而导致机械性能显著下降。此外，研究确定了λ ≈7 μm是确保微观结构和机械性能热稳定性的共晶间距的临界上限。
引言
飞机发动机正朝着更高的推重比发展，这对超高温结构材料在耐热性、抗氧化性和韧性方面提出了越来越严格的要求[1]。传统的镍基超合金及其热障涂层在极端环境条件下的强度、稳定性和耐久性难以满足这些要求[2]。因此，开发新一代超高温结构材料成为当前材料研究的重点，这类材料能够在更高的工作温度（通常高于1600 ℃）下保持优异的机械性能和微观结构稳定性[3]、[4]。DSECs因其优异的机械强度、抗蠕变性能和高温下的抗氧化性而被视为最有前途的候选材料[5]、[6]、[7]、[8]。
DSECs的优异性能源于其独特的微观结构，即两种或多种相通过共晶生长直接从液相形成的三维互穿复合结构[9]、[10]。其中，基于Al?O?的DSECs，尤其是Al?O?/ZrO?(Y?O?)共晶陶瓷[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]，由于相变增韧效应和组分可调性而受到广泛关注。该系统的核心增韧机制是由应力或温度诱导的ZrO?的t→m相变。相变伴随的体积膨胀会在裂纹尖端产生压应力，从而显著提高断裂韧性[17]、[18]。Zhu等人[19]证实了这一机制的有效性，他们在纳米晶氧化锆增韧氧化铝陶瓷中引入ZrO?后，断裂韧性提高了30%。值得注意的是，Y?O?的添加具有双重作用：一方面作为稳定剂溶解在ZrO?中，抑制其t→m相变；另一方面以Y3?离子的形式在界面处富集，降低界面能，增强键合并抑制异常晶粒生长，从而改善材料的密度和高温性能。Ma等人[20]制备的Al?O?/ZrO?(Y?O?) DSECs由于ZrO?结晶过程的调控，形成了纳米级致密结构。
DSECs的最终性能在很大程度上取决于制备过程及其参数。区熔化是制备DSECs的重要方法之一，包括激光浮区熔化（LFZ）[21]、[22]、光浮区熔化（OFZ）[23]、[24]和感应加热区熔化（IHZM）[25]、[26]。Ester等人[27]使用LFZ制备了Al?O?/ZrO?(Y?O?)/YAG共晶陶瓷，并研究了微观结构与生长速率之间的关系，发现生长速率的增加导致微观结构从均匀互穿结构转变为非均匀晶界结构。Zhai等人[28]证实，随着坩埚拉速从2.5 mm/h增加到300 mm/h，Al?O?/ZrO?(Y?O?) DSEC中的t-ZrO?含量相应增加，在最高速度下获得了最佳的硬度（18.6 GPa）和断裂韧性（9.39 MPa·m1/2）。此外，Llorca等人[29]发现，当Y?O?含量达到一定值时，ZrO?相无法完全溶解Y?O?，多余的Y?O?与Al?O?反应形成YAG相，从而改变共晶结构。上述研究强调了工艺参数或Y?O?含量的重要性，特别是生长速率和Y?O?含量的影响。然而，关于区熔化温度的研究较少，而该温度是决定熔体结构、凝固界面和初始相组成的关键因素。
在高温环境下，如长时间高温、氧化和热循环条件下，DSECs的微观结构演变行为至关重要。Su等人[30]对Al?O?/GdAlO?共晶陶瓷的研究表明，其在1500 ℃下热处理250小时后硬度下降，表明在高温下发生了明显的性能退化。Wang等人[31]对Al?O?/Er?Al?O??/ZrO?三元系统的研究进一步发现，热处理后出现了相粗化、界面数量减少和表面缺陷增多现象，这些现象导致抗弯强度和抗拉强度显著下降。DSECs在高温下的性能衰减与其微观结构的不稳定性（如相粗化和界面退化）密切相关。因此，揭示制备参数（特别是区熔化温度、生长速率等）、相组成（特别是Y?O?含量）和长期热稳定性（热处理温度和时间等）之间的协同作用机制对于促进Al?O?/ZrO?(Y?O?) DSEC的实际应用至关重要。
本文采用IHZM方法制备了Al?O?/ZrO?(Y?O?) DSEC，并研究了区熔化温度（1900–2300 °C）、Y?O?含量（0–12 mol%）以及热处理（1500 ℃、0–500 h）对其微观结构和机械性能演变的协同影响。这项工作可能为制备具有优异高温性能和长期服役稳定性的DSECs提供参考。
样品制备
选择Al?O?（99.9%）、ZrO?（99.9%）和Y?O?（99.999%）粉末作为DSEC的起始材料，其配比基于共晶二元体系Al?O?/ZrO? + Y?O?的摩尔比62:38[32]、[33]。其中，Y?O?作为稳定剂与ZrO?形成固溶体。0Y、1Y、3Y、6Y、9Y和12Y分别表示Y?O?在Al?O?/ZrO?中的摩尔分数为0、1、3、6、9和12 mol%。
区熔化温度对DSEC形态的影响
图1显示了在不同区熔化温度下制备的3Y DSECs中心横截面的微观形态。
如图1(a)所示，在1900 ℃下制备的DSEC中观察到了收缩孔和微裂纹等缺陷。放大后的收缩孔图像进一步显示出该区域存在未完全熔化的陶瓷颗粒，表明熔化过程不足。同样，在图1中...
结论
本文通过系统调节熔化温度和Y?O?含量，制备了Al?O?/ZrO? (Y?O?) DSEC，并揭示了其微观结构演变和高温机械性能稳定性的机制。主要结论如下：
(1) 熔化温度对DSEC的初始微观结构起着决定性作用，形成了均匀的共晶结构、较低的残余应力（-210 MPa）以及优异的综
CRediT作者贡献声明
Jingfeng Li：撰写 – 原始草稿、方法学、实验研究、数据分析。Yana Wang：实验研究、数据分析。Qinxing Xie：实验研究、数据分析。Shuoyan Zhai：实验研究、数据分析。Haiyue Xu：实验研究。Juncheng Liu：撰写 – 审稿与编辑、资金筹集、概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（NSFC，项目编号52372066）的资助。
利益冲突声明
作者声明不存在任何已知的利益冲突，包括财务、个人或专业关系，这些关系可能会影响本文的研究结果。
