鎂鋁尖晶石殼結(jié)構(gòu)強化的抗熱震3D打印陶瓷

來源： 增材制造結(jié)構(gòu)一功能陶瓷材料

渦流器是航空發(fā)動機燃燒室的重要部件之一，其性能直接決定著燃燒室的壽命和熱利用率。它不僅用作火焰穩(wěn)定器，而且是控制燃燒區(qū)域內(nèi)流場的重要部件，顯著影響動力裝置的燃燒性能。隨著航空發(fā)動機推重比的提升，對渦流器的耐高溫性能和輕量化設(shè)計等提出了更加苛刻的要求。

Al2O3陶瓷因其具有密度低、耐高溫、抗蠕變等優(yōu)點，有望成為下一代渦流器的優(yōu)選材料。然而，由于Al2O3陶瓷熔點高、硬度大，導(dǎo)致致密化燒結(jié)和機械加工困難，嚴(yán)重制約了其在航空航天精細(xì)-復(fù)雜結(jié)構(gòu)件中的廣泛應(yīng)用。光固化3D打印陶瓷技術(shù)的出現(xiàn)為生產(chǎn)高精度、復(fù)雜結(jié)構(gòu)、耐高溫的陶瓷部件提供了一種新的思路。另一方面，Al2O3陶瓷的低損傷容限和對裂紋擴展的敏感性嚴(yán)重限制其在急冷急熱服役環(huán)境中的應(yīng)用。第二相增韌與微結(jié)構(gòu)設(shè)計協(xié)同是提高Al2O3抗熱震性能的有效途徑，并且在Al2O3基體中引入MgAl2O4來提高陶瓷材料抗熱震性能被證明是有效的，但目前仍缺少制備工藝和燒結(jié)助劑含量對抗熱震性影響機制的系統(tǒng)研究。

該研究成果為解決3D打印陶瓷抗熱震性差的共性問題提供了創(chuàng)新性的解決方案，有望推動Al2O3陶瓷在航空航天領(lǐng)域更廣泛地應(yīng)用。

本文亮點

1.基于光固化3D打印技術(shù)的創(chuàng)新設(shè)計，通過納米級堆疊增強相和元素互擴散，原位合成了MgAl2O4的三維殼層結(jié)構(gòu)。

2.由MgAl2O4殼層結(jié)構(gòu)和基體組成的新型雙結(jié)構(gòu) Al2O3陶瓷具有熱沖擊后的裂紋鈍化效應(yīng)，可提高3D打印Al2O3陶瓷的抗熱震性能。

3.利用陶瓷3D打印技術(shù)成功制備了具有高抗熱震性的航空發(fā)動機渦流器。該研究成果為解決3D打印陶瓷抗熱震性差的問題提供了創(chuàng)新性的解決方案，有望推動 Al2O3陶瓷在航空航天領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

圖1. MgAl2O4殼層結(jié)構(gòu)的形成機理

圖2. 熱震實驗后的結(jié)果：(a)1.0%MgO/Al2O3表面裂紋圖像, (b)1.0%MgO/Al2O3和Al2O3試樣的殘余強度

圖3. 1.0%MgO/Al2O3試樣在180 ℃熱震試驗后的斷口形貌

圖4. MgAl2O4殼層結(jié)構(gòu)對Al2O3陶瓷抗熱震性的強化機制

圖5. 采用DLP-3D打印技術(shù)制備的Al2O3渦流器: (a)打印中的渦流器素坯；(b)燒結(jié)后的渦流器