2022年12月13日，华中科技大学材料科学与工程学院吴甲民课题组在《Ceramics International》上发表题为Effects of ZrSiO4 content on properties of SiO2-based ceramics prepared by digital light processing的研究论文，报道了采用DLP技术制备的ZrSiO4增强SiO2基陶瓷在室温和高温条件下具有良好的性能，有望用于空心叶片铸造。
原文链接：
//doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.11.128
研究简介
由于陶瓷型芯具有优异的化学稳定性和铸造后易去除的特点，被广泛应用于燃气涡轮发动机空心叶片的制备中。本文采用数字光处理(DLP)技术制备了增强SiO2基陶瓷。结果表明，由于ZrSiO4紫外光吸收率和折射率高，其加入降低了固化深度。ZrSiO4含量增加到15 wt%时，方石英石含量最大，径向收缩率最小，为1.4%。ZrSiO4晶粒可以抑制裂纹的扩展，提高室温抗弯强度。在1550℃时，SiO2晶粒的断裂使SiO2基陶瓷的高温弯曲强度有了很大的提高。当ZrSiO4含量达到15 wt%时，其室温和高温抗弯强度分别为11.5 MPa和36.7 MPa。因此，采用DLP技术制备的SiO2基陶瓷具有良好的室温和高温性能，有望用于空心叶片铸造。
研究内容解读
涡轮叶片作为燃气涡轮发动机的关键部件，需要承受高温气体的冲击。改进叶片冷却系统是保证叶片耐高温高压的有效途径。因此，随着燃气涡轮发动机工作温度的逐渐升高，叶片中空腔体结构变得更加复杂。目前空心叶片的制备主要采用熔模铸造技术，关键是制备陶瓷芯。陶瓷芯决定了空心叶片的尺寸精度和铸造合格率。SiO2基陶瓷具有烧结温度低、易去除等优点，是制备芯的理想材料。但传统的凝胶铸造、注射成型等工艺并没有摆脱模具的限制，导致难以制备结构复杂的陶瓷芯。本文采用DLP技术制备了ZrSiO4增强SiO2基陶瓷。通过调整ZrSiO4的含量，改善了SiO2基陶瓷的性能。重点研究了ZrSiO4含量对显微组织、相组成、SiO2基陶瓷的抗弯强度的影响，并研究了SiO2基陶瓷在1550℃时的微观结构和弯曲强度分析。本文采用DLP技术制备了ZrSiO4增强SiO2基陶瓷。由于ZrSiO4的加入使UV光吸收率和折射率较高，固化深度降低，导致绿体层间连接不良。ZrSiO4含量为15 wt%的sio2基陶瓷中方石英含量最高，有利于提高室温抗弯强度。随着ZrSiO4含量从5 wt%增加到20 wt%，收缩率先减小后增大，表观孔隙率先增大后减小。ZrSiO4含量为15 wt%时，径向收缩率最小，为1.4%，接近传统方法制备的SiO2基陶瓷。ZrSiO4晶粒可以抑制裂纹的扩展，提高室温抗弯强度。在1550℃时，SiO2基陶瓷的断裂模式为跨SiO2晶粒断裂，导致高温弯曲强度大幅提高。ZrSiO4添加量为15 wt%的SiO2基陶瓷，室温和高温下的抗弯强度均有所提高，分别达到11.5 MPa和36.7 MPa。
图1 (a) SiO2粉末和(b) ZrSiO4粉末的粒径分布和SEM图像(插图)。
图2 DLP法制备sio2基陶瓷工艺流程图。
图13 (a)测试抗折强度的试样模型和(b)烧结试样照片。
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