西工大團隊3D打印大尺寸異形超高溫氧化物共晶陶瓷取得突破

來源： 粉體圈

近日，西北工業(yè)大學(xué)蘇海軍教授團隊采用激光定向能量沉積（DED）技術(shù)制備Al2O3/GdAlO3/ZrO2三元共晶陶瓷，并研究了制造過程中裂紋的形成、演變和消除的機理，制備出高質(zhì)量共晶陶瓷試樣。該研究成果可為高熔點氧化物共晶陶瓷一步近凈成形、凝固缺陷控制及大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)樣件制備提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

論文地址：https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103563

△3D打印共晶陶瓷橫截面SEM圖

航空發(fā)動機隨著推重比不斷提升而工況溫度也不斷升高，目前的鎳基高溫合金已無法滿足其發(fā)展需求。氧化鋁基共晶陶瓷以高熔點、低密度、高比強度、優(yōu)良的耐熱性、耐腐蝕性和抗氧化性，特別是從室溫到接近熔點的高溫都能保持強度的特性而被列為新型超高溫結(jié)構(gòu)材料候選方案。

3D打印可以制備復(fù)雜形狀的共晶陶瓷零件，而定向能量沉積（DED）也被稱為激光熔覆或激光工程凈成形(LENS)，使用激光將粉末或線材原料逐層熔化以構(gòu)建三維零件，該過程類似于焊接，可用于金屬和陶瓷材料，可以逐層凈成型制造具有復(fù)雜形狀的目標(biāo)零件。然而，由于DED過程的循環(huán)掃描、局部快速熔化和冷卻以及陶瓷固有的硬脆特性，DED制備陶瓷材料的研究還處于起步階段，缺陷控制和生長工藝優(yōu)化仍然是該領(lǐng)域的研究熱點。

△定向能沉積(DED)運行打印

西工大研究團隊發(fā)現(xiàn)裂紋可分為橫向裂紋和縱向裂紋兩種類型，由于應(yīng)力分布和縱向延伸的共晶團結(jié)構(gòu)，縱向裂紋對陶瓷試件成形質(zhì)量的影響占主導(dǎo)地位。通過將掃描矢量長度縮短到5mm以下，可以有效抑制裂紋的形成。此外，在裂紋控制的基礎(chǔ)上，建立了共晶陶瓷分層穩(wěn)定成型的理論準(zhǔn)則。通過共同控制掃描長度和掃描速度，保持單層加工時間為1.25s，大尺寸共晶陶瓷棒穩(wěn)定制備了樣品高度>410mm的樣品，樣品高度隨著沉積層數(shù)線性增加。此外，還通過改變掃描策略一步制備了角形共晶陶瓷。所得結(jié)果可為 大尺寸、復(fù)雜形狀高性能氧化物共晶陶瓷的激光增材制造及凝固缺陷控制奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ)。