摘要：3D打印是涡轮叶片精密铸造陶瓷型芯理想的制备技术，但3D打印陶瓷型芯的多层结构、强度差、收缩大是目前亟待解决的问题。近日，长安大学许西庆教授带领团队在《Ceramics International》发表了题为《In-situ grown mullite whi

行业新知

3D打印是涡轮叶片精密铸造陶瓷型芯理想的制备技术，但3D打印陶瓷型芯的多层结构、强度差、收缩大是目前亟待解决的问题。近日，长安大学许西庆教授带领团队在《Ceramics International》发表了题为《In-situ grown mullite whiskers zippering the printing layers in silica-based ceramic cores through vat photopolymerization 3D printing》的研究，他们利用原位生长的莫来石晶须的高温稳定性和高强度，提升了光聚合3D打印硅基陶瓷芯的综合性能，并且在感光陶瓷浆料中加入不同含量的氟化铝粉末作为前驱体，探究了原位生长的莫来石晶须对3D打印陶瓷芯的影响。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.04.032
奇遇科技官网：https://www.adventuretech.cn
如无法打开，请拷贝网址到浏览器查阅。

研究内容

3D打印陶瓷型芯面临多层结构的各向异性、层间结合力弱、弯曲强度差等问题，尤其是在烧结过程中容易出现翘曲和开裂。

本研究通过在感光陶瓷浆料中加入氟化铝粉末作为前驱体，诱导莫来石晶须原位生长，通过调整氟化铝粉末的含量，探索了不同含量的莫来石晶须对打印陶瓷芯的力学性能和结构稳定性的影响。原位生长的莫来石晶须能通过拉链作用连接相邻的打印层，改善层间结合力，提高打印件的力学性能和结构的各向同性，解决了传统3D打印陶瓷中存在的结构弱点。

以下是文章的研究方法及数据：

△图1，原材料的XRD图：（a）熔融石英；（b）Al₂O₃；（c）莫来石；（d）AlF₃；（e）V₂O₅。

△图2，弯曲强度测量图。

△图3，烧结陶瓷芯的 SEM 图像，其中：(a) 0 wt.%、(b) 3 wt.%、(c) 6 wt.%、(d) 9 wt.%、(e) 12wt.% AlF₃。

△图4，不同AlF₃含量的烧结陶瓷芯的XRD谱。

图 5. 莫来石晶须原位生长示意图。

△图6，沿烧结陶瓷芯印刷层的SEM图像（a、b）不含AlF₃，（c、d）含9wt.% AlF₃。

△图7，( a, b)原位莫来石纤维的TEM图像；(c)原位莫来石晶须的SAED图像；(d)透射电子显微镜(TEM)图像显示(e)Si(f)Al(g)O元素。

△图8，原位生长晶须对不同AlF₃含量夹层结构影响的示意图：（a）0 wt.%，（b）3 wt.%，（c）6 wt.%，（d）9 wt.%，（e）12 wt.%。

△图9，（a）1200°C烧结后陶瓷型芯在三个方向上的收缩；（b）陶瓷浆料的粘度和粗糙度；（c）表观孔隙率、吸水率和体积密度

△图10，氟化铝含量对烧结陶瓷芯孔分布的影响。

△图11，烧结陶瓷芯的室温弯曲强度。

△图12，( a) 具有不同AlF₃含量的铸造陶瓷型芯的 XRD 图案；(b) 放大图。

△图13，(铸造陶瓷型芯表面的 SEM 图像（a、b）不含 AlF₃，（c、d）含有 9wt.% AlF₃。

△图14，氟化铝对陶瓷型芯在1540℃铸造后三个方向的收缩率(a)；1540℃铸造后陶瓷型芯的抗弯强度(b)；高温挠度(c)；铸造陶瓷型芯的浸出率的影响

结论

本研究利用原位生长莫来石晶须实现了对槽式光聚合3D打印陶瓷型芯的各向同性微观结构、力学强度、孔隙率和线性收缩率的协同优化。

在浆料中加入氟化铝和五水钒前驱体，成功基于气固生长机理在基体中原位生长莫来石晶须，且随着氟化铝含量的增加，晶须逐渐增大、增粗。当氟化铝含量为9 wt.%时，原位生长的莫来石晶须呈现出最佳形貌和分布，并起到拉链作用连接打印层，缓解了各向异性的多层结构。

此外，在1540 ℃下，原位生成的莫来石晶须显著提高了硅基陶瓷型芯的高温力学性能和尺寸精度，陶瓷型芯的高温抗弯强度由14.7 MPa提高到22.3 MPa；同时由于高熔点莫来石晶须骨架对结构致密化的抑制作用，三维线收缩率由1.01%、1.81%、2.91%抑制至0.16%、1.08%、0.66%，高温变形量减小至2.95 mm。

来源：奇遇科技ADTE