鎂鋁尖晶石殼結構強化的抗熱震3D打印陶瓷

來源： 增材制造結構一功能陶瓷材料

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，導致致密化燒結和機械加工困難，嚴重制約了其在航空航天精細-復雜結構件中的廣泛應用。光固化3D打印陶瓷技術的出現(xiàn)為生產(chǎn)高精度、復雜結構、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重限制其在急冷急熱服役環(huán)境中的應用。第二相增韌與微結構設計協(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陶瓷在航空航天領域更廣泛地應用。

本文亮點

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

2.由MgAl2O4殼層結構和基體組成的新型雙結構 Al2O3陶瓷具有熱沖擊后的裂紋鈍化效應，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陶瓷在航空航天領域的廣泛應用。

圖1. MgAl2O4殼層結構的形成機理

圖2. 熱震實驗后的結果：(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殼層結構對Al2O3陶瓷抗熱震性的強化機制

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