Ultrafast high-temperature sintering to avoid metal loss toward high-performance and scalable cermets

超快高温烧结避免金属损失以实现高性能可扩展金属陶瓷

第一作者: Miao Guo, Qi Dong

通讯作者: Ji-Cheng Zhao (jczhao@umd.edu), Liangbing Hu (binghu@umd.edu)

所属大学: 马里兰大学, 匹兹堡大学

DOI: 10.1016/j.matt.2021.11.008

PDF原文

期刊名称: Matter

发表年份: 2022年

论文亮点

        采用超快高温烧结（UHS）方法成功制备了金属陶瓷材料
UHS方法能够有效抑制金属挥发，提高材料质量

研究背景

金属陶瓷结合了陶瓷的高硬度和金属的良好延展性，能够满足能源生成和转换领域对苛刻环境新材料的日益增长需求
传统金属陶瓷烧结面临金属挥发、晶粒粗化以及金属与陶瓷相润湿性差等挑战，影响微观结构和机械性能
需要开发新的烧结方法来克服这些挑战，实现高质量金属陶瓷的高效制备

研究方法

本研究采用超快高温烧结（UHS）方法，具体步骤如下：

使用焦耳加热碳材料实现快速加热（10³-10⁴°C/min）和冷却（高达10⁴°C/min）
烧结温度高达1800°C，持续时间仅约15秒（包括升温和冷却步骤）
在氩气保护环境中进行烧结，防止氧化
以Ni基超合金（20 vol%）和Al₂O₃（80 vol%）作为模型系统进行验证
通过扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDS）和X射线衍射（XRD）等手段对烧结样品进行表征
与传统炉烧结方法进行对比研究，优化烧结参数

主要结论

UHS方法实现了高密度微观结构（相对密度94.3%），镍损失极小（仅1.80 wt%）
获得了均匀的晶粒尺寸分布（约2-6μm），从而实现了良好的机械性能和高温抗氧化性
该方法可扩展至大样品尺寸（34×9×1mm）和不同形状（星形、心形、骨形），适用于多种金属陶瓷成分和批量生产

图1: UHS方法用于金属陶瓷烧结

Figure 1: UHS approach for cermet sintering

图1: 我们的UHS方法用于金属陶瓷烧结。(A和B) 从含有陶瓷和金属前体混合物的生坯到烧结金属陶瓷的工艺示意图。(C) UHS过程中的温度曲线。(D) 砂纸抛光后具有光泽表面的烧结金属陶瓷。样品尺寸：34×9×1mm。

分析结果: UHS方法能够在极短时间内（约15秒）实现金属陶瓷的烧结，高温促进了金属与陶瓷相的良好润湿性，而短时间烧结限制了金属组分的损失并控制了晶粒生长。与传统方法相比，UHS方法显著减少了镍损失（从5.75 wt%降至1.80 wt%），并实现了更高的相对密度（94.3% vs 76.4%）。

图2: UHS方法在Ni基超合金和Al₂O₃模型系统中的应用

Figure 2: Applying the UHS method on a model cermet system

图2: 将UHS方法应用于由Ni基超合金和Al₂O₃组成的模型金属陶瓷系统。(A) 烧结过程中夹在两个焦耳加热碳毡条之间的生坯及相应的温度映射。(B) 生坯和烧结金属陶瓷的照片。(C) 烧结金属陶瓷的低倍截面SEM图像。(D) 烧结金属陶瓷的高倍截面SEM图像。(E) 金属/陶瓷界面的SEM图像，显示紧密的界面。(F) Al₂O₃相的SEM图像，显示高密度微观结构。(G) Ni、Al和O的EDS映射。(H) 烧结金属陶瓷的XRD图谱与原始Ni基超合金粉末和α-Al₂O₃标准衍射图谱的比较。

分析结果: UHS方法成功制备了Ni基超合金和Al₂O₃金属陶瓷，SEM图像显示高度致密和均匀的微观结构，EDS映射显示金属和Al₂O₃相之间的交叉扩散极小。XRD分析证实了Ni基超合金和α-Al₂O₃的成功形成，仅存在少量Ni-Cr₂O₄杂质相。这些结果表明UHS方法能够实现高质量金属陶瓷的制备。

图3: UHS烧结金属陶瓷的时间-温度-转变关系

Figure 3: Time-temperature-transformation relationship

图3: 使用UHS烧结的金属陶瓷的时间-温度-转变关系。(A和B) 分别在1600°C烧结15秒和1800°C烧结5秒的欠烧结金属陶瓷的照片和SEM图像。(C和D) 分别在2300°C烧结15秒和1800°C烧结25秒的过烧结金属陶瓷的照片和SEM图像。(E) 在最佳条件（1800°C，15秒）下烧结的金属陶瓷的照片和SEM图像。(F) 由Ni基超合金和Al₂O₃（体积比1:4）组成的金属陶瓷的时间-温度-转变图。

分析结果: 通过系统研究烧结温度和时间对金属陶瓷质量的影响，确定了最佳烧结条件为1800°C下约15秒。低温（1600°C）或短时间（5秒）烧结导致陶瓷基质致密化不足，留下大量孔隙；而高温（2300°C）或长时间（25秒）烧结则导致金属组分挥发，形成多孔微观结构。时间-温度-转变图为金属陶瓷烧结工艺的优化提供了指导。

图4: 传统炉烧结与UHS方法烧结金属陶瓷的比较

Figure 4: Comparison of traditional furnace sintering and UHS

图4: 传统炉烧结与我们的UHS方法烧结的金属陶瓷比较。(A) 生坯的SEM图像。(B) 使用传统炉烧结的金属陶瓷的SEM图像。(C) 使用我们的UHS方法烧结的金属陶瓷的SEM图像。(D) 生坯、传统炉烧结和UHS方法烧结的金属陶瓷中的Ni含量。(E) 传统炉烧结的金属陶瓷的EBSD图。(F) UHS方法烧结的金属陶瓷的EBSD图。(G) 传统炉烧结和UHS方法烧结的金属陶瓷的晶粒尺寸分布。(H) 传统炉烧结和UHS方法烧结的金属陶瓷的XRD图谱。

分析结果: 与传统炉烧结相比，UHS方法烧结的金属陶瓷具有更致密的微观结构（相对密度94.3% vs 76.4%）和更少的镍损失（1.80 wt% vs 5.75 wt%）。EBSD分析显示UHS方法烧结的金属陶瓷具有均匀且等轴的晶粒，晶粒尺寸分布窄（约2-6μm），而传统方法烧结的金属陶瓷晶粒尺寸变化大。XRD分析表明UHS方法烧结的金属陶瓷相组成更纯，传统方法由于长时间烧结导致更多杂质相的形成。

图5: UHS制备的金属陶瓷的优异性能和形状灵活性

Figure 5: Superior performance and shape flexibility

图5: UHS制备的金属陶瓷的优异性能和形状灵活性。(A) 金属陶瓷和Al₂O₃的三点弯曲应力-应变曲线。(B) 金属陶瓷和Al₂O₃的压缩应力-应变曲线。(C) 金属陶瓷和Al₂O₃的弯曲应力。误差棒表示标准偏差。(D) 金属陶瓷和Al₂O₃的压缩应力。误差棒表示标准偏差。(E) 金属陶瓷不同区域的维氏硬度。(F) 烧结金属陶瓷在1100°C空气中进行100小时高温抗氧化测试前后的重量变化。(G) 骨形金属陶瓷的照片。(H) 星形金属陶瓷的照片。(I) 心形金属陶瓷的照片。

分析结果: UHS方法制备的金属陶瓷表现出优异的机械性能，弯曲强度为368±51MPa，压缩强度为1460±24MPa，均显著高于纯Al₂O₃。平均维氏硬度为12.84GPa，断裂韧性为5.28MPa·m¹/²。高温抗氧化测试显示，在1100°C空气中100小时后，重量增加仅1.30mg/cm²，表明优异的抗氧化性。此外，UHS方法具有形状灵活性，可制备骨形、星形和心形等不同形状的金属陶瓷，满足多种应用需求。