供稿人：徐云龍、李滌塵 供稿單位：西安交通大學精密微納制造技術全國重點實驗室 發(fā)布日期：2024-05-17
陶瓷具有出色的耐高溫性和化學穩(wěn)定性，以及高剛度重量比，是苛刻技術應用的首選材料。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)情況下會導致陶瓷部件的災難性失效。近期，奧地利萊奧本礦業(yè)大學材料科學系的Josef Schlacher等人使用基于光刻的陶瓷制造技術研究具有增強抗熱震性的多材料陶瓷組件，通過使用嵌入保護層來阻止表面缺陷的擴展，嵌入層中的面內殘余應力提供了防止裂紋擴展的有效屏障。使用基于光刻的陶瓷制造（LCM）可以將高打印分辨率（微米級）與制造多材料結構的可能性相結合，從2D系統(tǒng)到高度復雜結構的3D架構的轉移是增加陶瓷組件在陶瓷市場結構應用中使用的關鍵步驟。
在這項工作中，首先研究了具有圓盤幾何形狀的簡單5層多材料設計（ZTA/A/ZTA/A/ZTA），如圖1（a）所示，并與單片參考樣品（A，ZTA）進行了比較。所有樣品均采用LCM技術制備。進行了溫差范圍為200°C至400°C的熱沖擊試驗，評估了多材料設計的相應強度退化，并與參考A和ZTA單片樣品進行了比較。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計方法，如圖1（b）所示，這種方法為打印復雜形狀的“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單體與多材料設計相對于打印方向示意圖。面內拉伸（ZTA區(qū)域）和壓縮殘余應力（A區(qū)域）分別由多材料設計特寫中的藍色和紅色箭頭表示。(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置為ΔT=250℃、300℃和400℃。為了證明已到達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，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，最終裂紋深度相當大。對于多材料樣品由于A層中相當高的面內壓縮殘余應力（即?300MPa），熱沖擊裂紋在進入A第一層時發(fā)生偏轉/分叉，無法到達第二個A/ZTA界面，證明了多材料設計能夠增強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度可能與面內壓縮殘余應力下嵌入層的裂紋阻滯有關。
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打印具有增強損傷容限的復雜氧化鋁基零件的可行性，采用多材料設計方法設計了渦輪葉片（ZTA/A/ZTA/A/ZTA）。作為參考打印了純ZTA渦輪葉片，結果如圖3所示。與圓盤形樣品的觀察結果類似，多材料設計的裂紋網(wǎng)絡似乎比整體ZTA的裂紋網(wǎng)絡更密集。為了驗證3D復雜多材料部件中嵌入的內部A層可以作為防止裂紋擴展的屏障，正如在2D層壓系統(tǒng)中觀察到的那樣，與ZTA對應物相比，渦輪葉片多材料設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400℃的溫差下得到驗證，而ZTA的對應物則因熱致裂紋而嚴重降解。這項工作首次證明了損傷容限設計方法也可能適用于3D打印的復雜形狀零件，這可能在未來開辟新的應用領域。
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