镁铝尖晶石壳结构强化的抗热震3D打印陶瓷

来源： 增材制造结构一功能陶瓷材料

涡流器是航空发动机燃烧室的重要部件之一，其性能直接决定着燃烧室的寿命和热利用率。它不仅用作火焰稳定器，而且是控制燃烧区域内流场的重要部件，显著影响动力装置的燃烧性能。随着航空发动机推重比的提升，对涡流器的耐高温性能和轻量化设计等提出了更加苛刻的要求。

Al2O3陶瓷因其具有密度低、耐高温、抗蠕变等优点，有望成为下一代涡流器的优选材料。然而，由于Al2O3陶瓷熔点高、硬度大，导致致密化烧结和机械加工困难，严重制约了其在航空航天精细-复杂结构件中的广泛应用。光固化3D打印陶瓷技术的出现为生产高精度、复杂结构、耐高温的陶瓷部件提供了一种新的思路。另一方面，Al2O3陶瓷的低损伤容限和对裂纹扩展的敏感性严重限制其在急冷急热服役环境中的应用。第二相增韧与微结构设计协同是提高Al2O3抗热震性能的有效途径，并且在Al2O3基体中引入MgAl2O4来提高陶瓷材料抗热震性能被证明是有效的，但目前仍缺少制备工艺和烧结助剂含量对抗热震性影响机制的系统研究。

该研究成果为解决3D打印陶瓷抗热震性差的共性问题提供了创新性的解决方案，有望推动Al2O3陶瓷在航空航天领域更广泛地应用。

本文亮点

1.基于光固化3D打印技术的创新设计，通过纳米级堆叠增强相和元素互扩散，原位合成了MgAl2O4的三维壳层结构。

2.由MgAl2O4壳层结构和基体组成的新型双结构 Al2O3陶瓷具有热冲击后的裂纹钝化效应，可提高3D打印Al2O3陶瓷的抗热震性能。

3.利用陶瓷3D打印技术成功制备了具有高抗热震性的航空发动机涡流器。该研究成果为解决3D打印陶瓷抗热震性差的问题提供了创新性的解决方案，有望推动 Al2O3陶瓷在航空航天领域的广泛应用。

图1. MgAl2O4壳层结构的形成机理

图2. 热震实验后的结果：(a)1.0%MgO/Al2O3表面裂纹图像, (b)1.0%MgO/Al2O3和Al2O3试样的残余强度

图3. 1.0%MgO/Al2O3试样在180 ℃热震试验后的断口形貌

图4. MgAl2O4壳层结构对Al2O3陶瓷抗热震性的强化机制

图5. 采用DLP-3D打印技术制备的Al2O3涡流器: (a)打印中的涡流器素坯；(b)烧结后的涡流器