西工大团队3D打印大尺寸异形超高温氧化物共晶陶瓷取得突破

来源： 粉体圈

近日，西北工业大学苏海军教授团队采用激光定向能量沉积（DED）技术制备Al2O3/GdAlO3/ZrO2三元共晶陶瓷，并研究了制造过程中裂纹的形成、演变和消除的机理，制备出高质量共晶陶瓷试样。该研究成果可为高熔点氧化物共晶陶瓷一步近净成形、凝固缺陷控制及大尺寸复杂结构样件制备提供理论基础和技术支撑。

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

△3D打印共晶陶瓷横截面SEM图

航空发动机随着推重比不断提升而工况温度也不断升高，目前的镍基高温合金已无法满足其发展需求。氧化铝基共晶陶瓷以高熔点、低密度、高比强度、优良的耐热性、耐腐蚀性和抗氧化性，特别是从室温到接近熔点的高温都能保持强度的特性而被列为新型超高温结构材料候选方案。

3D打印可以制备复杂形状的共晶陶瓷零件，而定向能量沉积（DED）也被称为激光熔覆或激光工程净成形(LENS)，使用激光将粉末或线材原料逐层熔化以构建三维零件，该过程类似于焊接，可用于金属和陶瓷材料，可以逐层净成型制造具有复杂形状的目标零件。然而，由于DED过程的循环扫描、局部快速熔化和冷却以及陶瓷固有的硬脆特性，DED制备陶瓷材料的研究还处于起步阶段，缺陷控制和生长工艺优化仍然是该领域的研究热点。

△定向能沉积(DED)运行打印

西工大研究团队发现裂纹可分为横向裂纹和纵向裂纹两种类型，由于应力分布和纵向延伸的共晶团结构，纵向裂纹对陶瓷试件成形质量的影响占主导地位。通过将扫描矢量长度缩短到5mm以下，可以有效抑制裂纹的形成。此外，在裂纹控制的基础上，建立了共晶陶瓷分层稳定成型的理论准则。通过共同控制扫描长度和扫描速度，保持单层加工时间为1.25s，大尺寸共晶陶瓷棒稳定制备了样品高度>410mm的样品，样品高度随着沉积层数线性增加。此外，还通过改变扫描策略一步制备了角形共晶陶瓷。所得结果可为 大尺寸、复杂形状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论和技术基础。