微下拉法生长GdAlO3-Al2O3共晶微结构演化机理研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0141

摘要/Abstract

摘要： GdAlO₃（GAP）-Al₂O₃氧化物共晶材料因具有高抗弯曲强度、优良的高温抗蠕变性能和抗氧化性能，广泛应用于高温结构材料。共晶的微观结构直接影响共晶材料的性能，而定向凝固技术能使共晶材料的微结构组织按一定方向排列，获得具有特定结构的共晶材料。微下拉定向凝固技术用于生长共晶材料，具有温度梯度大、生长速率调控范围广、生长周期短及生长过程可视等优点。本工作采用微下拉法（μ-PD）生长了GAP-Al₂O₃共晶，通过XRD和SEM对GAP-Al₂O₃共晶微观结构进行了研究。结果表明，共晶生长速率和温度梯度直接影响共晶的微观结构，在共晶生长过程中，随着微下拉生长速率的增加，共晶微结构逐渐从无序变为有序。通过对共晶微观结构演化机理进行研究，优化生长条件，可获得微观结构排列有序的大尺寸共晶材料，促进有序共晶材料在高分辨探测成像、激光显示与照明、光存储与高温荧光探测等领域的应用。

关键词: GdAlO₃-Al₂O₃共晶; 定向凝固; 微下拉法; 微结构演化

Abstract: GdAlO₃（GAP）-Al₂O₃ oxide eutectic is widely used in high-temperature structural materials due to its high bending strength， excellent creep resistance and oxidation resistance at high temperature. As well known， the properties of eutectic materials are influenced directly by the microstructure of eutectic， and the microstructure of eutectic materials can be arranged in a certain direction through directional solidification technology. Micro-pulling-down method （μ-PD）， as a directional solidification technology for crystal growth， has the advantages with large temperature gradient， wide growth rate range， short growth period， and visible growth process. In this work， GdAlO₃（GAP）-Al₂O₃ eutectics were grown by μ-PD， and its microstructure was determined by XRD and SEM. The results show that the microstructure of the obtained eutectics was changed gradually from disorder to order with the increasing of growth rate. The microstructure of eutectic is also influenced by the temperature gradient and growth rate.The evolution mechanism of eutectic microstructure was investigated. By optimizing the growth conditions， large-scale eutectic materials with ordered microstructure are expected to be obtained， which have potential applications in the fields of high-resolution detection imaging， laser display and lighting， optical storage and optical temperature sensor.

Key words: GdAlO₃-Al₂O₃ eutectic; directional solidification; micro-pulling down method; microstructural evolution

中图分类号:

O734

刘振, 许锦涛, 朱汕林, 廖灿媛, 胡宏伟, 钟幸原, 钟玖平. 微下拉法生长GdAlO₃-Al₂O₃共晶微结构演化机理研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(12): 2136-2145.

LIU Zhen, XU Jintao, ZHU Shanlin, LIAO Canyuan, HU Hongwei, ZHONG Xingyuan, ZHONG Jiuping. Investigation on the Microstructural Evolution Mechanism of GdAlO₃-Al₂O₃ Eutectics Grown by Micro-Pulling-Down Method[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2025, 54(12): 2136-2145.

图/表 10

图1 微下拉法生长过程中弯液面及生长出的共晶

Fig.1 Meniscus and eutectic grown by micro-pulling-down method

图2 微下拉法制备得到GAP-Al2O3共晶

Fig.2 GAP-Al2O3 eutectic prepared by micro-pulling-down method

图3 粉体GAP-Al2O3共晶样品XRD图谱（a），以及块体GAP-Al2O3共晶样品横截面及纵截面XRD图谱（b）

Fig.3 XRD patterns of powder GAP-Al2O3 eutectic samples （a）， and XRD patterns of cross-section and longitudinal-section （b） of bulk GAP-Al2O3 eutectic samples

图4 GAP-Al2O3共晶SEM照片（a），以及EDS mapping图（b）~（d）

Fig.4 SEM image of GAP-Al2O3 eutectic （a）， and EDS mapping （b）~（d） of GAP-Al2O3 eutectic

图5 20.5%功率下不同生长速率制备GAP-Al2O3共晶样品横截面SEM照片

Fig.5 20.5% power， cross-section SEM images of GAP-Al2O3 eutectic samples prepared at different growth rates

图6 共晶层间距λ和生长速率ν之间的关系

Fig.6 Relationship between eutectic layer spacing λ and growth rate ν

图7 3.0 mm/min生长速率下不同加热功率制备共晶样品横截面SEM照片

Fig.7 Cross-section SEM images of eutectic samples prepared with different heating powers at a growth rate of 3.0 mm/min

图8 （a1）“高线圈”放置示意图；（b1） “低线圈”放置示意图；（a2）~（a4）19.5%功率，“高线圈”放置下，3.0、4.0、5.0 mm/min生长的共晶横截面SEM照片；（b2）~（b4）19.5%功率，“低线圈”放置下，3.0、4.0、5.0 mm/min生长的共晶横截面SEM照片。内插图为棒状有序结构放大图

Fig.8 （a1） Schematic diagram of placing “high coil”；（b1） schematic diagram of “low coil” placement；（a2）~（a4） SEM images of eutectic cross-sections grown at 3.0， 4.0， and 5.0 mm/min with 19.5% power and “high coil” placement；（b2）~（b4） SEM images of eutectic cross-sections grown at 3.0， 4.0， and 5.0 mm/min with 19.5% power and “low coil” placement. The inset is an enlarged view of the rod like ordered structure

表1 不同生长条件棒状GAP晶相直径

Table 1 Diameter of rod-like GAP phase under different growth conditions

Growth rate /（mm·min^-1）	Fiber diameter （under the lower G）/nm	Fiber diameter （under the larger G）/nm
3.0	620	560
4.0	450	400
5.0	360	320

图9 19.0%加热功率下不同生长速率制备共晶样品横截面（a），以及3.0 mm/min生长速率，不同加热功率制备共晶样品横截面（b）

Fig.9 Cross-section of eutectic samples prepared at different growth rates of 19.0% heating power （a）， and growth rate of 3.0 mm/min， cross-section of eutectic samples prepared at different heating powers（b）

参考文献 26

[1]	MEIER G H， STIGER M J， BLACHERE J R， et al. The adhesion of alumina films to metallic alloys and coatings［J］. Materials and Corrosion， 2000， 51（5）： 358-372.
[2]	KIM J J， CHOI Y， SURESH S， et al. Nanocrystallization during nanoindentation of a bulk amorphous metal alloy at room temperature［J］. Science， 2002， 295（5555）： 654-657.
[3]	MCDEAVITT S M， BILLINGS G W， INDACOCHEA J E. Interfacial reactions of zirconium and zirconium-alloy liquid metals with beryllia at elevated temperatures［J］. Journal of Materials Science， 2002， 37（17）： 3765-3776.
[4]	RISUEÑO E， FAIK A， RODRÍGUEZ-ASEGUINOLAZA J， et al. Mg-Zn-Al eutectic alloys as phase change material for latent heat thermal energy storage［J］. Energy Procedia， 2015， 69： 1006-1013.
[5]	WAKU Y， NAKAGAWA N， WAKAMOTO T， et al. The creep and thermal stability characteristics of a unidirectionally solidified Al₂O₃/YAG eutectic composite［J］. Journal of Materials Science， 1998， 33（20）： 4943-4951.
[6]	SU H J， ZHANG J， YU J Z， et al. Directional solidification and microstructural development of Al₂O₃/GdAlO₃ eutectic ceramic in situ composite under rapid growth conditions［J］. Journal of Alloys and Compounds， 2011， 509（12）： 4420-4425.
[7]	刘　芳，刘　振，钟幸原，等. GdAlO₃∶Tb³⁺-Al₂O₃有序共晶生长及其微结构研究［J］. 人工晶体学报， 2021， 50（10）： 1971-1978.
	LIU F， LIU Z， ZHONG X Y， et al. Growth and microstructure of ordered eutectics GdAlO₃∶Tb³⁺-Al₂O₃ ［J］. Journal of Synthetic Crystals， 2021， 50（10）： 1971-1978 （in Chinese）.
[8]	OHASHI Y， YASUI N， YOKOTA Y， et al. Submicron-diameter phase-separated scintillator fibers for high-resolution X-ray imaging［J］. Applied Physics Letters， 2013， 102（5）： 051907.
[9]	苏海军，王恩缘，任　群，等. 超高温氧化物共晶复合陶瓷研究进展［J］. 中国材料进展， 2018， 37（6）： 437-447+427.
	SU H J， WANG E Y， REN Q， et al. Research progress in ultra-high temperature oxide eutectic composite ceramics［J］. Materials China， 2018， 37（6）： 437-447+427 （in Chinese）.
[10]	LIU L， HUANG T W， QU M， et al. High thermal gradient directional solidification and its application in the processing of nickel-based superalloys［J］. Journal of Materials Processing Technology， 2010， 210（1）： 159-165.
[11]	SONG K X， LI Z R， FAN S J， et al. Growth and electrical properties characterization of Pb（In_1/2Nb_1/2）O₃-PbTiO₃ tetragonal single crystal by the modified flux-Bridgman method［J］. Journal of Crystal Growth， 2017， 468： 382-386.
[12]	BRAESCU L， BALINT A M， BALINT S. Optimization of some growth process parameters of an Nd∶YAG cylindrical bar grown in a vacuum by edge-defined film-fed growth method［J］. Journal of Crystal Growth， 2004， 268（1/2）： 284-298.
[13]	SOLA D， ESTER F J， OLIETE P B， et al. Study of the stability of the molten zone and the stresses induced during the growth of Al₂O₃-Y₃Al₅O₁₂ eutectic composite by the laser floating zone technique［J］. Journal of the European Ceramic Society， 2011， 31（7）： 1211-1218.
[14]	ORERA V M， PEÑA J I， OLIETE P B， et al. Growth of eutectic ceramic structures by directional solidification methods［J］. Journal of Crystal Growth， 2012， 360： 99-104.
[15]	JACKSON K A. On the theory of crystal growth： growth of small crystals using periodic boundary conditions［J］. Journal of Crystal Growth， 1968， 3： 507-517.
[16]	REN Q， SU H J， ZHANG J， et al. Eutectic growth behavior with regular arrangement in the faceted Al₂O₃/Er₃Al₅O₁₂ irregular eutectic system at low growth rate［J］. Scripta Materialia， 2019， 162： 49-53.
[17]	WAKU Y， NAKAGAWA N， WAKAMOTO T， et al. A ductile ceramic eutectic composite with high strength at 1 873 K［J］. Nature， 1997， 389（6646）： 49-52.
[18]	HUANG S Y， SHEN C， SAMAROV V. Processing， microstructure， and properties of bimetallic steel-Ni alloy powder HIP［J］. Metals， 2024， 14（1）： 118.
[19]	SU H J， SHEN Z L， MA W D， et al. Comprehensive microstructure regularization mechanism and microstructure-property stability at 1773 K of directionally solidified Al₂O₃/GdAlO₃ eutectic ceramic composite［J］. Composites Part B： Engineering， 2023， 256： 110647.
[20]	李金富，周尧和. 界面动力学对共晶生长过程的影响［J］. 中国科学E辑：工程科学材料科学， 2005， 35（5）： 449-458.
	LI J F， ZHOU Y H. Effect of interfacial dynamics on eutectic growth process［J］. Science in China， Ser E， 2005， 35（5）： 449-458 （in Chinese）.
[21]	ZHENG L L， LARSON D J， ZHANG H. Revised form of Jackson-hunt theory： application to directional solidification of MnBi/Bi eutectics［J］. Journal of Crystal Growth， 2000， 209（1）： 110-121.
[22]	PEÑA J I， MERINO R I， HARLAN N R， et al. Microstructure of Y₂O₃ doped Al₂O₃-ZrO₂ eutectics grown by the laser floating zone method［J］. Journal of the European Ceramic Society， 2002， 22（14/15）： 2595-2602.
[23]	LLORCA J， ORERA V M. Directionally solidified eutectic ceramic oxides［J］. Progress in Materials Science， 2006， 51（6）： 711-809.
[24]	胡汉起. 金属凝固原理［M］. 2版. 北京：机械工业出版社， 2000.
	Hu H Q. Principles of metal solidification［M］. 2nd edition. Beijing： Machinery Industry Press， 2000 （in Chinese）.
[25]	REN Q， SU H J， ZHANG J， et al. Microstructure transition and selection of Al₂O₃/Er₃Al₅O₁₂/ZrO₂ ternary eutectic ceramics from micronscale to nanoscale： the effect of rapid solidification［J］. Ceramics International， 2018， 44（2）： 2611-2614.
[26]	JACKSON K A， HUNT J. Lamellar and rod eutectic growth［J］. Trans Metall Soc AIME， 1966， 236： 1129-1142.

微下拉法生长GdAlO₃-Al₂O₃共晶微结构演化机理研究

Investigation on the Microstructural Evolution Mechanism of GdAlO₃-Al₂O₃ Eutectics Grown by Micro-Pulling-Down Method

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 10

参考文献 26

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	陈子航, 王晓丹, 刘坚, 刘鹏, 徐晓东, 徐军. 微下拉法Er∶CNGG晶体的生长及光谱性能研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(6): 935-941.
[2]	刘家旭, 张银涛, 唐洪, 陈嘉慧, 陈广玉, 何占伟, 赵紫薇, 高忙忙. Al-50%Si合金电磁定向凝固提纯过程中初晶硅富集行为研究[J]. 人工晶体学报, 2024, 53(7): 1186-1195.
[3]	郭俊, 刘坚, 王泽彬, 陈鹏, 宋青松, 马杰, 王庆国, 徐晓东, 徐军. Nd∶ASL单晶光纤的生长、光谱和激光性能研究[J]. 人工晶体学报, 2024, 53(11): 1877-1883.
[4]	郭俊, 刘坚, 陈鹏, 宋青松, 张志恒, 徐晓东, 徐军. Nd∶CaYAlO₄单晶光纤的生长及光谱性能研究[J]. 人工晶体学报, 2023, 52(7): 1345-1351.
[5]	刘文娇, 张明记, 辛显辉, 郝元凯, 付秀伟, 张健, 贾志泰, 陶绪堂. 微下拉法生长Tb₃Al_xGa_5-xO₁₂磁光晶体及其性能表征[J]. 人工晶体学报, 2023, 52(1): 8-16.
[6]	郝佩瑶, 朱金伟, 廖继龙, 郑丽丽, 张辉. 基于神经网络和遗传算法的铸锭晶体硅质量控制及工艺优化[J]. 人工晶体学报, 2022, 51(3): 385-397.
[7]	王涛, 贾志泰, 李阳, 张健, 陶绪堂. 单晶光纤制备及高温传感器研究进展[J]. 人工晶体学报, 2021, 50(9): 1603-1624.
[8]	徐杰, 宋青松, 刘坚, 丁雨憧, 李东振, 徐晓东, 徐军. Sm∶YAG/Sm∶Y₃ScAl₄O₁₂单晶光纤的生长及光谱性能[J]. 人工晶体学报, 2021, 50(7): 1391-1396.
[9]	顾鹏, 王鹏刚, 官伟明, 郑丽, 谭云强. 单晶光纤生长技术研究进展[J]. 人工晶体学报, 2021, 50(12): 2362-2378.
[10]	刘芳, 刘振, 钟幸原, 钟玖平. GdAlO₃∶Tb³⁺-Al₂O₃有序共晶生长及其微结构研究[J]. 人工晶体学报, 2021, 50(10): 1971-1978.
[11]	马云峰, 徐家跃, 蒋毅坚, BOURRET-COURCHESNE Edith. 面向集装箱安检应用的Mg₄Ta₂O₉闪烁晶体及其掺杂改性[J]. 人工晶体学报, 2021, 50(10): 1870-1878.
[12]	韩博;李进;安百俊. 石墨坩埚厚度对感应加热制备太阳能级多晶硅影响的数值模拟研究[J]. 人工晶体学报, 2020, 49(10): 1904-1910.
[13]	王晨东;左然;苏文佳. 多晶硅铸锭生长过程热应力与位错的数值模拟研究[J]. 人工晶体学报, 2018, 47(5): 894-898.
[14]	刘志辉;罗玉峰;龚洪勇;饶森林;张发云;胡云. 降温速率对升级冶金硅定向凝固生长多晶硅少子寿命的影响[J]. 人工晶体学报, 2017, 46(1): 13-17.
[15]	何秋湘;李京伟;孙继飞;白枭龙;熊震;陈健. 掺Sn对定向凝固多晶硅位错及少子寿命的影响[J]. 人工晶体学报, 2016, 45(6): 1458-1464.