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高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)精密陶瓷部件的制備與應(yīng)用是制約我國航空航天、精細(xì)化工與先進(jìn)制造等重點(diǎn)行業(yè)高端裝備跨越式發(fā)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(fā)動(dòng)機(jī)空心葉片的陶瓷型芯，要求結(jié)構(gòu)精細(xì)、形狀復(fù)雜、高孔隙以及良好的室溫和高溫力學(xué)性能，代表了陶瓷型芯制備工藝的巔峰水平，是航空航天領(lǐng)域精密陶瓷的典型部件。高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)精密陶瓷型芯的制備對(duì)航空工業(yè)的快速發(fā)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(shù)因其無需模具、高效率、柔性制造等優(yōu)勢而備受關(guān)注。目前陶瓷材料的3D打印技術(shù)主要有光固化3D打印技術(shù)、直接墨水書寫、選擇性激光熔化、選擇性激光燒結(jié)等。其中光固化3D打印技術(shù)具有精度高、表面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，在眾多陶瓷3D打印技術(shù)中脫穎而出，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)空心葉片的制備提供了新的思路。

目前，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)空心葉片內(nèi)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(diǎn)、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、使用過程無相變、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，符合航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的發(fā)展需求，是新一代高性能陶瓷型芯關(guān)鍵材料。但是，氧化鋁對(duì)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(fā)生較大的蠕變變形，降低陶瓷型芯抗高溫蠕變性能，進(jìn)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(guān)鍵問題。

近日，西北工業(yè)大學(xué)蘇海軍等人報(bào)道了一種稀土氧化物(Y₂O₃)原位反應(yīng)調(diào)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(jié)合合理的燒結(jié)溫度選擇，制備了具有高孔隙率、適當(dāng)抗彎強(qiáng)度以及優(yōu)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(jié)過程中與氧化鋁基體的原位反應(yīng)，特別是Y元素在氧化鋁相和反應(yīng)產(chǎn)物YAG相之間的分布規(guī)律，明確了元素偏析對(duì)陶瓷型芯抗高溫蠕變性能的提升作用。通過優(yōu)化Y₂O₃含量和燒結(jié)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(jié)溫度對(duì)陶瓷型芯性能的調(diào)控規(guī)律。通過上述方法獲得了高孔隙率(40.8 %)、適當(dāng)強(qiáng)度(16.1 MPa)和低高溫?fù)隙?/span>(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(guān)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(fā)表在Additive Manufacturing。

論文鏈接：

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

║制備工藝及燒結(jié)陶瓷型芯

圖1：(a)陶瓷漿料制備；(b) 素坯打印；(c)脫脂及燒結(jié)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(shù)制備了具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)及良好表面質(zhì)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(shù)打印了陶瓷型芯素坯，經(jīng)過脫脂和燒結(jié)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(qiáng)度以及高溫?fù)隙取?/span>

║陶瓷型芯顯微結(jié)構(gòu)特征

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

圖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(jié)后的顯微結(jié)構(gòu)； (b) 為(a)的局部放大圖

光固化3D打印氧化鋁基陶瓷型芯表現(xiàn)出明顯的層狀結(jié)構(gòu)特征，層間隙隨細(xì)粉料含量的增加而逐漸降低；級(jí)配粉料設(shè)計(jì)造成顯微結(jié)構(gòu)中包含大量連通孔隙，大幅提升了陶瓷型芯的孔隙率，粗細(xì)粉料之間存在明顯的燒結(jié)頸，粗粉料處于燒結(jié)初期，可以降低陶瓷型芯燒結(jié)收縮。

║元素的晶界偏聚

圖4 (a), (d), (e), (f)分別為YAG和Al₂O₃燒結(jié)晶粒的EDS圖；(b)(c)為YAG和Al₂O₃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(jié)果進(jìn)一步證實(shí)稀土氧化物(Y₂O₃)在燒結(jié)過程會(huì)與Al₂O₃反應(yīng)生成YAG相，元素分布結(jié)果表明Y元素在兩相界面處存在明顯的富集，這對(duì)提升材料的抗高溫蠕變性能具有重要作用。

║孔隙率與高溫?fù)隙?/strong>

圖5：燒結(jié)溫度和Y₂O₃含量對(duì)光固化3D打印氧化鋁基陶瓷型芯開孔隙率的影響

圖6：燒結(jié)溫度和Y₂O₃含量對(duì)光固化3D打印氧化鋁基陶瓷型芯高溫?fù)隙鹊挠绊?/span>

光固化3D打印氧化鋁基陶瓷型芯的開孔隙率和高溫?fù)隙冉Y(jié)果證實(shí)添加Y₂O₃可以明顯調(diào)控高孔隙率和抗高溫蠕變性能之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)孔隙率和抗高溫蠕變性能的協(xié)同提升。

結(jié)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(diào)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(jié)過程中會(huì)與Al₂O₃完全反應(yīng)生成YAG相。顯微結(jié)構(gòu)證明了層間間隙的大小隨Y₂O₃含量的增加而明顯降低，級(jí)配粉料設(shè)計(jì)在光固化3D打印陶瓷型芯中形成了大量通孔，并且發(fā)現(xiàn)不同粒徑的粉料處于不同的燒結(jié)階段。此外，本研究證明了原位反應(yīng)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(shí)現(xiàn)光固化3D打印陶瓷型芯孔隙率和抗高溫蠕變性能的協(xié)同提高。優(yōu)化后氧化鋁基陶瓷型芯開孔隙率為40.8 %，高溫?fù)隙鹊椭翞?/span> 0.63 mm，抗彎強(qiáng)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(xué)性能提供了一種新的手段。