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《Additive Manufacturing》:3D打印大尺寸三元共晶陶瓷复杂结构

《Additive Manufacturing》:3D打印大尺寸三元共晶陶瓷复杂结构

  • 分类:行业动态
  • 发布时间:2023-06-19 17:04
  • 访问量:

【概要描述】

《Additive Manufacturing》:3D打印大尺寸三元共晶陶瓷复杂结构

【概要描述】

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  • 发布时间:2023-06-19 17:04
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​2023年5月25日,西北工业大学凝固技术国家重点实验室联合多家单位在《Additive Manufacturing》上发表题为Large-size complex-structure ternary eutectic ceramic fabricated using laser powder bed fusion assisted with finite element analysis的研究论文,报道了采用3D打印工艺制备Al2O3/GdAlO3/ZrO2三元共晶陶瓷,分析并优化其制备工艺以客服裂纹问题。

原文链接:

https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103627

  研究简介  

熔融生长氧化物共晶陶瓷具备优异的机械性能,且在超高温下表现出良好的微观结构稳定性。3D打印技术为制造大尺寸复杂结构提供了一种新技术,但由于陶瓷材料固有的脆性,裂纹控制成为这一过程中一大挑战。本研究将3D打印技术应用于Al2O3/GdAlO3/ZrO2三元共晶陶瓷的制备,并结合有限元法(FEM)研究了其优化工艺,创新性地揭示了单轨、单层和多层裂纹的形成机理和扩展行为,得到了不同工艺参数下的温度和热应力分布。

基于模拟结果,研究人员通过3D打印制备了尺寸为30 mm× 30 mm× 1 mm的圆柱形、圆角立方形、三角形棱柱形、四边形等多种形状的Al2O3/GdAlO3/ZrO2共晶陶瓷,共晶间距约为88 nm,具有超细共晶组织,这为克服在单步工艺中直接制造大尺寸和复杂结构陶瓷的裂纹问题提供了解决方案。本研究为直接制备组织超细、结构复杂的超高温固化氧化物共晶陶瓷提供了理论基础和技术支持,在航空航天、机械、化工等领域具有很大的应用潜力。

  研究内容解读  

本研究利用3D打印工艺制备了尺寸约为30 mm× 30 mm× 1 mm的块状Al2O3/ GdAlO3/ZrO2共晶陶瓷。所用3D打印机的激光光斑直径更小(0.05 ~ 0.1 mm),能量密度更高,提高了陶瓷试样的成形精度和稳定性,从而大大提高了形状复杂、精度更高的大尺寸陶瓷的制造可行性。
同时研究人员采用有限元法得到了单轨、多轨、多层三种三元共晶陶瓷在不同工艺参数下的温度和热应力分布。在此基础上,结合实验结果对3D打印过程中的裂纹形成机理和扩展行为进行了研究。
为了研究3D打印过程中共晶的生长,对不同参数下的显微组织进行了表征。研究结果为开发具有复杂结构的高温陶瓷材料奠定了技术和理论基础,这些材料可以应用于1600°C以上的高温工作环境中。

图1 (a)3D打印工艺示意图,(b)原粉形貌,(c)粉末粒度分布。

图2 有限元仿真及实验结果验证。

图3 不同工艺参数下单轨三元陶瓷的形貌。

图9 试件顶面各层及截面裂纹分布。

图11 单轨(a)、多轨(b)、第三层(c)、第十层(d)的裂纹形成机理。

图12 在不同激光功率和扫描速率下制备三元共晶陶瓷:(b1) 300 w, 300 mm/s;(b2) 300w, 350mm /s, (b3) 300w, 400mm /s, (b4) 300w, 450mm /s。对于不同形状的Al2O/GdAlO/ZrO三元共晶陶瓷,在相同的加工参数下:激光功率为300 W,退火前扫描速率为300 mm/s (c),退火后扫描速率为300 mm/s (d),加工层数为10层,制备出(d1)三角棱柱,(d2)圆角立方,(d3)六角形,(d4)圆柱形的典型结构陶瓷。

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