不同炉温下闪烧事件制备Al2O3–8YSZ共晶陶瓷的微观结构演变与快速凝固机制研究

本综述系统阐述了通过闪烧技术（flash event）在远低于共晶点温度（600°C–1400°C）下制备Al2O3–8YSZ（8 mol% Y2O3稳定ZrO2）共晶陶瓷的创新方法。研究揭示了冷却速率对共晶微观结构的精细化调控作用，最高冷却速率达710°C/s，获得仅135 nm的超细层间距，为高性能高温结构陶瓷的设计提供了新策略。

　　

1 引言

氧化铝（Al₂O₃）基共晶陶瓷因其优异的高温力学性能（如高强度、抗蠕变性）而被视为高温结构材料的重要候选体系。典型体系包括Al₂O₃–GdAlO₃（GAP）、Al₂O₃–Y₃Al₅O₁₂（YAG）及Al₂O₃–ZrO₂。早期研究侧重于粗化微观结构以提升抗蠕变性能，而近期则通过细化微观结构实现室温下的高强度和硬度。更值得注意的是，细化共晶微观结构可诱发本征脆性陶瓷的微观塑性，这为陶瓷材料的韧化提供了新途径。

闪烧技术作为一种新型氧化物陶瓷加工方法，可在电场作用下于较低炉温实现材料的瞬时致密化。该过程伴随电导率显著提升、焦耳加热及试样温度骤升，从而使共晶反应在远低于共晶温度的条件下发生。此前研究已成功利用闪烧技术制备Al₂O₃–8YSZ、Al₂O₃–LaPO₄、Al_{O3–GAP–ZrO2等多种共晶陶瓷。闪烧过程中的快速冷却（通过切断电源实现）易于获得细化共晶微观结构，其相间距可控制在≤1 μm。本研究聚焦Al2O3–立方相8YSZ共晶体系，探究不同炉温下闪烧事件对共晶微观结构的影响，尤其关注冷却速率与微观形貌的关联性。}

2 材料与方法

2.1 煅烧处理

采用商业高纯度Al₂O₃（TM-DAR）与8YSZ（TZ-8Y）粉末，按共晶成分（Al₂O₃:ZrO₂:Y₂O₃ = 62.5:34.5:3.0摩尔比）球磨混合24小时，经单轴压制（8 MPa）成型后，于1400°C空气中煅烧2小时，获得尺寸为1.5 × 4.2 × 25.5 mm、相对密度75%的煅烧体。

2.2 闪烧处理

在试样中心预制0.5 mm深切口以促进电流集中与局部熔化。两端以铂浆粘贴铂电极（间距5 mm），置于电炉中以10°C/min升温至目标温度（500°C–1400°C）。随后施加640 V/cm、1 kHz交流电场，电流限值初始设定为200 mA（持续30秒），后以10 mA/s速率升至800 mA并保持10秒，最终切断电源。采用双色热成像相机（10 Hz采样率）监测温度分布。

2.3 微观结构分析

通过X射线衍射（XRD）鉴定物相，热蚀抛光后利用扫描电子显微镜（SEM）及电子背散射衍射（EBSD）分析微观形貌、相间距及晶体学取向。采用MIPAR软件定量分析相分数与间距分布。

3 结果

3.1 电响应与温度历程

在600°C–1400°C炉温下均发生闪烧事件，而500°C时未触发。高于1000°C时电流迅速达到限值，电压因电导率骤升而下降；低于800°C时需数十秒孵化期才触发闪烧。温度分布显示局部热点区域温度达1870°C（共晶点），证实局部熔化发生。冷却速率随炉温降低而增加，600°C时平均冷却速率为710±230°C/s，显著高于1400°C时的260±70°C/s。所有温度曲线均显示约100°C过冷后的再辉现象，表明凝固伴随显著潜热释放。

3.2 物相与微观结构

XRD确认所有试样中仅存在刚玉相Al₂O₃和萤石立方相ZrO₂（8YSZ），无织构发育。SEM显示非熔化区（区域I）保留煅烧结构，而熔化区（区域II）形成共晶胞状结构，生长方向由界面指向电流路径中心。600°C下试样呈现精细层状结构（平均间距135±11 nm），而1400°C下则为棒状结构（间距331±57 nm），且伴随厚界面层（相分数偏离共晶成分）。

3.3 晶体学分析

EBSD揭示棒状结构中YSZ棒沿三组<2^—01>Al₂O₃方向生长，主要取向关系为[0001]Al₂O₃//<100>ZrO₂与<11^—0>Al₂O₃//<010>ZrO₂。层状结构中YSZ层晶体旋转达10°，主要关系为[0001]Al₂O₃//<110>ZrO₂与<11^—0>Al₂O₃//<001>ZrO₂。此外还观察到多种次要取向关系，可能与高速凝固及非稳态界面生长有关。

4 讨论

冷却速率与相间距呈负相关关系，符合Jackson-Hunt模型修正公式（λ ∝ R^?0.5），其中R为冷却速率。本研究最低相间距（135 nm）与激光熔化法制备的Al₂O₃–ZrO₂共晶相当，证实闪烧技术可实现超细微观结构。

棒状-层状转变受相分数控制：棒状结构胞内YSZ相分数（31.9±1.7%）接近理论阈值（1/π ≈ 31.8%），而层状结构胞内分数（33.4±2.3%）更接近共晶成分（34.5%）。高温下较慢冷却允许Zr离子扩散导致胞内ZrO₂贫化与界面富集，从而稳定棒状结构；低温高速冷却抑制扩散，促使成分均匀的层状结构形成。该转变本质是扩散动力学与冷却速率的竞争结果。

5 结论

本研究通过闪烧技术在600°C–1400°C炉温下成功制备Al₂O₃–8YSZ共晶陶瓷，系统阐明了冷却速率对微观结构的调控规律：

1. 1.

   冷却速率随炉温降低而升高，最高达710°C/s（600°C）；

2. 2.

   相间距随冷却速率增加而减小，最小达135±11 nm（600°C），为文献报道最细水平之一；

3. 3.

   低速冷却（1400°C）形成棒状结构，高速冷却（600°C）形成层状结构；

4. 4.

   晶体学取向分析揭示主要与次要取向关系，反映闪烧过程独特的凝固动力学；

5. 5.

   微观形貌转变受相分数与扩散过程控制，符合共晶耦合生长理论。

   该技术为在远低于共晶点温度下快速制备超细共晶陶瓷提供了新途径，未来需进一步探究微观结构对力学性能（尤其是高温塑性）的影响。