マグネシウム-アルミニウムスピネルシェル構造で強化された耐熱衝撃性3Dプリントセラミック

マグネシウム-アルミニウムスピネルシェル構造で強化された耐熱衝撃性3Dプリントセラミック
出典: 構造機能性セラミック材料の付加製造

スワールファインダーは航空機エンジンの燃焼室の重要な部品の一つであり、その性能は燃焼室の寿命と熱利用率を直接決定します。火炎安定装置として機能するだけでなく、燃焼領域の流れ場を制御する重要な部品でもあり、パワーユニットの燃焼性能に大きな影響を与えます。航空機エンジンの推力重量比の向上に伴い、渦流探知機の耐高温性と軽量設計に対する要件がより厳しくなっています。


Al2O3 セラミックは、低密度、耐高温性、耐クリープ性などの利点があるため、次世代の渦流量計に適した材料になると期待されています。しかし、Al2O3セラミックは融点が高く、硬度も高いため、緻密化、焼結、機械加工が難しく、微細で複雑な航空宇宙構造部品への幅広い応用が著しく制限されています。光硬化型 3D プリントセラミック技術の登場により、高精度、複雑な構造、耐高温性を備えたセラミック部品の製造に新たなアイデアがもたらされました。一方、Al2O3 セラミックは損傷許容度が低く、亀裂伝播に敏感であるため、急速冷却および加熱サービス環境での適用は大幅に制限されます。第二相強化と微細構造設計の相乗効果は、Al2O3の耐熱衝撃性を向上させる効果的な方法であり、Al2O3マトリックスにMgAl2O4を導入してセラミック材料の耐熱衝撃性を向上させることは効果的であることが証明されています。しかし、製造プロセスと焼結助剤含有量が耐熱衝撃性に与える影響に関する体系的な研究はまだ不足しています。

この研究成果は、3Dプリントセラミックスの耐熱衝撃性の低さという共通問題に対する革新的な解決策を提供し、航空宇宙分野におけるAl2O3セラミックスのより広範な応用を促進することが期待されます。

この記事のハイライト

1. 光硬化3Dプリント技術の革新的な設計に基づき、ナノスケールのスタッキング強化相と元素相互拡散を通じて、MgAl2O4の3次元シェル構造をその場で合成しました。

2. MgAl2O4シェル構造とマトリックスで構成された新しい二重構造Al2O3セラミックスは、熱衝撃後の亀裂不動態化効果があり、3DプリントAl2O3セラミックスの耐熱衝撃性を向上させることができます。

3. セラミック3Dプリント技術を用いて、耐熱衝撃性に優れた航空機エンジンの渦発生器の製造に成功しました。この研究成果は、3Dプリントセラミックスの耐熱衝撃性が低いという問題に対する革新的な解決策を提供し、航空宇宙分野におけるAl2O3セラミックスの幅広い応用を促進することが期待されます。

図 1. MgAl2O4 シェル構造の形成メカニズム図 2. 熱衝撃試験後の結果: (a) 1.0%MgO/Al2O3 表面亀裂画像、(b) 1.0%MgO/Al2O3 および Al2O3 サンプルの残留強度図 3. 180 ℃ での熱衝撃試験後の 1.0%MgO/Al2O3 サンプルの破壊形態図 4. MgAl2O4 シェル構造の Al2O3 セラミックスの耐熱衝撃性に対する強化メカニズム図 5. DLP-3D 印刷技術で作成された Al2O3 ボルテックス ジェネレーター: (a) 印刷中のボルテックス ジェネレーター ブランク、(b) 焼結後のボルテックス ジェネレーター
セラミック、光硬化

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