供稿人：徐云龍、李滌塵 供稿單位：西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國重點實驗室 發(fā)布日期：2024-05-17
陶瓷具有出色的耐高溫性和化學(xué)穩(wěn)定性，以及高剛度重量比，是苛刻技術(shù)應(yīng)用的首選材料。然而在溫度快速變化期間，表面可能會產(chǎn)生熱沖擊裂紋，在大多數(shù)情況下會導(dǎo)致陶瓷部件的災(zāi)難性失效。近期，奧地利萊奧本礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)系的Josef Schlacher等人使用基于光刻的陶瓷制造技術(shù)研究具有增強(qiáng)抗熱震性的多材料陶瓷組件，通過使用嵌入保護(hù)層來阻止表面缺陷的擴(kuò)展，嵌入層中的面內(nèi)殘余應(yīng)力提供了防止裂紋擴(kuò)展的有效屏障。使用基于光刻的陶瓷制造（LCM）可以將高打印分辨率（微米級）與制造多材料結(jié)構(gòu)的可能性相結(jié)合，從2D系統(tǒng)到高度復(fù)雜結(jié)構(gòu)的3D架構(gòu)的轉(zhuǎn)移是增加陶瓷組件在陶瓷市場結(jié)構(gòu)應(yīng)用中使用的關(guān)鍵步驟。
在這項工作中，首先研究了具有圓盤幾何形狀的簡單5層多材料設(shè)計（ZTA/A/ZTA/A/ZTA），如圖1（a）所示，并與單片參考樣品（A，ZTA）進(jìn)行了比較。所有樣品均采用LCM技術(shù)制備。進(jìn)行了溫差范圍為200°C至400°C的熱沖擊試驗，評估了多材料設(shè)計的相應(yīng)強(qiáng)度退化，并與參考A和ZTA單片樣品進(jìn)行了比較。隨后，在3D打印的氧化鋁基組件上評估了多材料樣品的抗熱沖擊性。在陶瓷渦輪葉片上使用多材料設(shè)計方法，如圖1（b）所示，這種方法為打印復(fù)雜形狀的“損傷容限”系統(tǒng)開辟了新的可能性。
圖1 (a) 3D打印的A和ZTA單體與多材料設(shè)計相對于打印方向示意圖。面內(nèi)拉伸（ZTA區(qū)域）和壓縮殘余應(yīng)力（A區(qū)域）分別由多材料設(shè)計特寫中的藍(lán)色和紅色箭頭表示。(b)3D打印的多材料組件相對于打印方向的示意圖。紅色層表示嵌入的氧化鋁（A）區(qū)域，而藍(lán)色外殼表示ZTA區(qū)域
對于熱沖擊測試，熱沖擊實驗的溫差分別設(shè)置為ΔT=250℃、300℃和400℃。為了證明已到達(dá)裂紋形成的臨界溫度，在所有淬火試樣上涂上紅色液體染料滲透劑30min。影響熱震性能與初始熱沖擊裂紋的數(shù)量以及裂紋在樣品中的傳播深度有關(guān)，圖2描述了A、ZTA和多材料樣品在400℃溫差下熱沖擊的亞表面損傷，從中可以看出與單片A相比，ZTA整體更能抵抗裂紋萌生，然而，最終裂紋深度相當(dāng)大。對于多材料樣品由于A層中相當(dāng)高的面內(nèi)壓縮殘余應(yīng)力（即?300MPa），熱沖擊裂紋在進(jìn)入A第一層時發(fā)生偏轉(zhuǎn)/分叉，無法到達(dá)第二個A/ZTA界面，證明了多材料設(shè)計能夠增強(qiáng)陶瓷零件的損傷容限。通過測試可以得到在400℃的溫差下，多材料樣品的熱沖擊強(qiáng)度為397±65MPa,是單片A與ZTA的兩倍，多層試樣中相對較高的保留強(qiáng)度可能與面內(nèi)壓縮殘余應(yīng)力下嵌入層的裂紋阻滯有關(guān)。
圖2 （a）單片A、（b）單片ZTA和（c）多材料樣品的橫截面在400°C的溫差下受到?jīng)_擊。每個系統(tǒng)的代表性區(qū)域分別顯示在（d）、（e）和（f）中顯示了最終裂縫深度
為了評估3D打印具有增強(qiáng)損傷容限的復(fù)雜氧化鋁基零件的可行性，采用多材料設(shè)計方法設(shè)計了渦輪葉片（ZTA/A/ZTA/A/ZTA）。作為參考打印了純ZTA渦輪葉片，結(jié)果如圖3所示。與圓盤形樣品的觀察結(jié)果類似，多材料設(shè)計的裂紋網(wǎng)絡(luò)似乎比整體ZTA的裂紋網(wǎng)絡(luò)更密集。為了驗證3D復(fù)雜多材料部件中嵌入的內(nèi)部A層可以作為防止裂紋擴(kuò)展的屏障，正如在2D層壓系統(tǒng)中觀察到的那樣，與ZTA對應(yīng)物相比，渦輪葉片多材料設(shè)計在熱沖擊后的裂紋撓度/分岔能力。3D打印多材料組件的“損傷容限”概念已在高達(dá)400℃的溫差下得到驗證，而ZTA的對應(yīng)物則因熱致裂紋而嚴(yán)重降解。這項工作首次證明了損傷容限設(shè)計方法也可能適用于3D打印的復(fù)雜形狀零件，這可能在未來開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域。
圖3 （a） 3D打印渦輪葉片的圖像。（b） 在ΔT = 400℃下，單片ZTA（上）和多材料渦輪葉片（下）的熱沖擊淬火試驗引起的典型裂紋圖案。（c） ZTA刀片（頂部）和多材料刀片（底部）的拋光橫截面。特寫鏡頭指示最終的裂縫深度