西工大增材制造頂刊:光固化增材制造熔模精密鑄造陶瓷型芯!

發布時間:2023-06-26

作者:材料科學與工程

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高性能復雜結構精密陶瓷部件的制備與應用是制約我國航空航天、精細化工與先進制造等重點行業高端裝備跨越式發展的重要途徑。陶瓷型芯是熔模鑄造過程中鑄型的重要部件,與模殼一同保證鑄件的形狀和尺寸精度。用于航空渦輪發動機空心葉片的陶瓷型芯,要求結構精細、形狀復雜、高孔隙以及良好的室溫和高溫力學性能,代表了陶瓷型芯制備工藝的巔峰水平,是航空航天領域精密陶瓷的典型部件。高性能復雜結構精密陶瓷型芯的制備對航空工業的快速發展以及國防裝備能力的提升具有重要意義。近年來3D打印技術因其無需模具、高效率、柔性制造等優勢而備受關注。目前陶瓷材料的3D打印技術主要有光固化3D打印技術、直接墨水書寫、選擇性激光熔化、選擇性激光燒結等。其中光固化3D打印技術具有精度高、表面質量好等優點,在眾多陶瓷3D打印技術中脫穎而出,為復雜結構空心葉片的制備提供了新的思路。

目前,在復雜結構空心葉片內腔的熔模鑄造工藝中,主要采用氧化硅基陶瓷型芯和氧化鋁基陶瓷型芯兩種類型。與氧化硅基陶瓷型芯相比,氧化鋁基陶瓷型芯具有高的熔點、優良的化學穩定性、使用過程無相變、定位精度高等優點,符合航空發動機渦輪葉片的發展需求,是新一代高性能陶瓷型芯關鍵材料。但是,氧化鋁對酸和堿都具有較好的耐受性,這使得氧化鋁基陶瓷型芯脫芯困難。提升陶瓷型芯的孔隙率是提高溶出性的有效手段。然而,高孔隙率容易造成陶瓷型芯在高溫下發生較大的蠕變變形,降低陶瓷型芯抗高溫蠕變性能,進而降低渦輪葉片的成品率。因此,在高孔隙率條件下,如何提高光固化3D打印陶瓷型芯的綜合性能是亟待解決的關鍵問題。

近日,西北工業大學蘇海軍等人報道了一種稀土氧化物(Y2O3)原位反應調控光固化3D打印氧化鋁基陶瓷型芯開孔隙率和抗高溫蠕變性能的方法,并結合合理的燒結溫度選擇,制備了具有高孔隙率、適當抗彎強度以及優異抗高溫蠕變性能的氧化鋁基陶瓷型芯。研究了稀土氧化物(Y2O3)在燒結過程中與氧化鋁基體的原位反應,特別是Y元素在氧化鋁相和反應產物YAG相之間的分布規律,明確了元素偏析對陶瓷型芯抗高溫蠕變性能的提升作用。通過優化Y2O3含量和燒結溫度,突破了陶瓷型芯高孔隙率和抗高溫蠕變性能之間的矛盾,建立了Y2O3含量及燒結溫度對陶瓷型芯性能的調控規律。通過上述方法獲得了高孔隙率(40.8 %)、適當強度(16.1 MPa)和低高溫撓度(0.63 mm)的氧化鋁基陶瓷型芯,為提高光固化3D打印氧化鋁基陶瓷型芯的綜合性能提供了重要參考。相關工作以題為“In-situ Y3Al5O12 enhances comprehensive properties of alumina-based ceramic cores by vat photopolymerization 3D printing”的研究論文發表在Additive Manufacturing。


論文鏈接:

https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103645

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║制備工藝及燒結陶瓷型芯


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1(a)陶瓷漿料制備;(b) 素坯打??;(c)脫脂及燒結工藝;(d) 3D打印陶瓷型芯;(e)陶瓷型芯性能測試示意圖


通過光固化陶瓷3D打印技術制備了具有復雜結構及良好表面質量的氧化鋁基陶瓷型芯,采用球磨工藝制備了具有不同Y2O3含量的陶瓷漿料,通過光固化陶瓷3D打印技術打印了陶瓷型芯素坯,經過脫脂和燒結后,獲得光固化3D打印氧化鋁基陶瓷型芯并測定了陶瓷的收縮率,孔隙率,抗彎強度以及高溫撓度。


║陶瓷型芯顯微結構特征


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2:光固化3D打印氧化鋁陶瓷型芯層狀結構:(a)-(e)1550 °C燒結的陶瓷型芯添加不同含量氧化釔的顯微結構;(a1)-(e1) 1600 °C燒結的陶瓷型芯添加不同含量氧化釔的顯微結構;(a2)-(e2) 1650 °C燒結的陶瓷型芯添加不同含量氧化釔的顯微結構


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3(a)添加4 wt.%的光固化3D打印氧化鋁基陶瓷型芯在1600 °C燒結后的顯微結構; (b) (a)的局部放大圖


光固化3D打印氧化鋁基陶瓷型芯表現出明顯的層狀結構特征,層間隙隨細粉料含量的增加而逐漸降低;級配粉料設計造成顯微結構中包含大量連通孔隙,大幅提升了陶瓷型芯的孔隙率,粗細粉料之間存在明顯的燒結頸,粗粉料處于燒結初期,可以降低陶瓷型芯燒結收縮。


║元素的晶界偏聚


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4 (a), (d), (e), (f)分別為YAGAl2O3燒結晶粒的EDS圖;(b)(c)YAGAl2O3的電子衍射圖譜;(g)元素掃描方向;(h)掃描方向上的元素分布


TEM的結果進一步證實稀土氧化物(Y2O3)在燒結過程會與Al2O3反應生成YAG相,元素分布結果表明Y元素在兩相界面處存在明顯的富集,這對提升材料的抗高溫蠕變性能具有重要作用。


║孔隙率與高溫撓度


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5:燒結溫度和Y2O3含量對光固化3D打印氧化鋁基陶瓷型芯開孔隙率的影響


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6:燒結溫度和Y2O3含量對光固化3D打印氧化鋁基陶瓷型芯高溫撓度的影響


光固化3D打印氧化鋁基陶瓷型芯的開孔隙率和高溫撓度結果證實添加Y2O3可以明顯調控高孔隙率和抗高溫蠕變性能之間的矛盾,實現孔隙率和抗高溫蠕變性能的協同提升。


結論與展望


綜上所述,本研究首次通過稀土氧化物原位生成YAG相調控光固化3D打印的氧化鋁基陶瓷型芯的綜合性能。首先證明了稀土氧化物-Y2O3在燒結過程中會與Al2O3完全反應生成YAG相。顯微結構證明了層間間隙的大小隨Y2O3含量的增加而明顯降低,級配粉料設計在光固化3D打印陶瓷型芯中形成了大量通孔,并且發現不同粒徑的粉料處于不同的燒結階段。此外,本研究證明了原位反應生成的YAG相成功突破了孔隙率和抗高溫蠕變性能之間的矛盾,實現光固化3D打印陶瓷型芯孔隙率和抗高溫蠕變性能的協同提高。優化后氧化鋁基陶瓷型芯開孔隙率為40.8 %,高溫撓度低至為 0.63 mm,抗彎強度為16.1 MPa。本研究為提高光固化3D打印陶瓷型芯綜合力學性能提供了一種新的手段。