2022年5月28日，西北工业大学和西北工业大学深圳研究院的研究人员在《Journal of Materials Science & Technology》上发表题为Enhanced comprehensive properties of stereolithography 3D printed alumina ceramic cores with high porosities by a powder gradation design的研究论文，报道了研究人员通过选择四种不同粒度和比例的粉末配比，控制立体光刻3D打印氧化铝陶瓷芯的性能。研究重点在于粉末配比设计对SLA 3D打印陶瓷芯的微观结构和性能的影响，特别是粗粉配比设计方面。同时，他们还研究了不同粒径颗粒的烧结动力学，并选择了适当的烧结温度。研究人员建立了SLA 3D打印氧化铝陶瓷芯的“非骨架”微观结构模型。因此，通过这些研究，材料的孔隙率、抗弯强度和高温挠度的平衡得到大大提高，从而提升了材料的综合性能。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S100503022200442X

  研究简介  

陶瓷芯是航空发动机中空涡轮叶片的关键，具有复杂的结构和优化的性能。增材制造(AM)在制造复杂陶瓷芯方面比传统方法具有优势，但平衡孔隙率和强度是一个挑战。本文采用新型粉末级配设计策略，采用立体光刻(SLA)3D打印技术制备了具有高孔隙率、中等强度和低高温偏转的氧化铝陶瓷芯。通过调节质量比和烧结温度，成功平衡了孔隙率和抗弯强度。随着烧结温度的升高和细粉含量的增加，粗颗粒的断裂模式发生变化。烧结孔隙率对于SLA 3D打印陶瓷芯的高温偏转影响更大。研究建立了SLA 3D打印氧化铝陶瓷芯的“非骨架”微观结构模型，以解释烧结过程与性能之间的关系。通过优化颗粒级配和烧结工艺，成功实现了高孔隙率(36.4%)、合适的强度(50.1MPa)和低高温挠度(2.27mm)，为SLA 3D打印陶瓷芯的综合性能提供了重要的改进。

图1 SLA 3D打印制备的坯体加热过程:(a)TG-DSC;(b)脱脂曲线;(c)烧结曲线。

图2 烧结SLA 3D打印双支点悬臂氧化铝陶瓷芯高温偏转试验示意图。

图3 粒度级配比例对不同烧结温度下SLA 3D打印氧化铝陶瓷芯X、Y、Z方向线收缩率的影响:(a)1450℃;(b)1550℃;(c)1600℃

图4 烧结温度对不同粒度级配比例SLA 3D打印氧化铝陶瓷芯X、Y、Z方向线收缩率的影响:(a)试样a为2:1:1;(b)样品b 1:1:1;(c)样品c为1:2:1;(d)样品d为1:1:2。

图5SLA 3D打印氧化铝陶瓷芯烧结后的层微观结构(a)和单层收缩率统计(b)。

图6 SLA 3D打印烧结氧化铝陶瓷芯的开孔率(a)、吸水率(b)和相对密度(c)与烧结温度和粒度级配比例的关系。

图7 SLA 3D打印陶瓷岩心孔隙度的三个来源:(a)层间间距;(b)粉末分布不规则;(c)桥接。

图8 SLA 3D打印制备的大颗粒烧结陶瓷芯的微观结构:(a)与细粉结合;(b)表面形貌变化

图9 SLA 3D打印制备的小颗粒烧结陶瓷芯的微观结构:(a)试样a在1450℃时的烧结颈;(b)1450℃时D试样的烧结颈;样品D分别在1550℃(C)和1600℃(D)烧结时晶粒长大形成。

图10 SLA 3D打印烧结陶瓷岩心断裂过程中的裂纹扩展:(a)裂纹起源于表面;(b)粗颗粒的裂纹挠度和沿晶断裂。

图11 SLA 3D打印制备的烧结陶瓷芯中较大晶粒的断口组织:(a-d)、(a1-d1)、(a2-d2)分别为烧结温度为1450℃、1550℃和1600℃的陶瓷芯;(A-a2)，(B-b2)，(C-c2)，(D-d2)烧结陶瓷芯样品A,B,C,D。

图12 SLA 3D打印制备的烧结陶瓷芯中小晶粒的断口组织:(a-d)、(a1-d1)、(a2-d2)分别为烧结温度为1450℃、1550℃、1600℃的陶瓷芯;(A-a2)，(B-b2)，(C-c2)，(D-d2)烧结陶瓷芯样品A,B,C,D。

图13 SLA 3D打印制备氧化铝陶瓷芯的“非骨架”微观结构模型

图14 研究了不同烧结温度和粒度级配比例下SLA 3D打印陶瓷芯的抗弯强度。

图15 烧结温度对不同粒度级配比例SLA 3D打印陶瓷芯高温偏转的影响。

 研究结论 

通过优化粉体级配设计和烧结工艺，制备出了具有最佳孔隙率和综合性能的SLA 3D打印氧化铝陶瓷芯材。粗粉含量对烧结驱动力和热力学终止起着重要作用，烧结温度则通过调节陶瓷芯的致密化速率和粉末生长过程来影响其综合性能。不同粒度的粉末呈现不同的烧结状态。此外，发现了层隙、粗粉与细粉之间的过渡隙以及细粉之间的桥接孔隙三个来源，并对它们的形成机理进行了分析。建立了SLA 3D打印陶瓷芯的“非骨架”微观结构模型。挠度试验表明，影响材料高温蠕变性能的主要因素是烧结孔隙率而不是晶粒尺寸。最佳的氧化铝陶瓷芯的开孔率为36.4%，高温挠度为2.27mm，弯曲强度为50.1MPa，为SLA 3D打印制备中等强度、低高温挠度的高孔隙率陶瓷芯提供了一条新途径。

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