ألومينا نانوية للحد من تشوه القلوب عند الحرارة العالية

من خلال إضافة كميات ضئيلة من مسحوق الألومينا النانوية، يتم التغلب بشكل كبير على مشاكل الانكماش والتشوه في قلب السيراميك المطبوع ثلاثي الأبعاد المعتمد على السيليكون عند درجات حرارة عالية، مما يوفر دعمًا فنيًا رئيسيًا لتصنيع شفرات توربينات المحركات الهوائية الأكثر تعقيدًا.

الملخص

من أجل العمل بكفاءة في ظل ظروف درجات الحرارة المرتفعة التي تصل إلى آلاف الدرجات، وقوة الطرد المركزي الضخمة، وأحمال الضغط المعقدة، يتم ملء شفرات التوربينات الحديثة بقنوات تبريد دقيقة. تشبه هذه القنوات "الأوعية الدموية" للشفرات وتحمي الشفرات عن طريق إدخال الهواء البارد. يعتمد تكوين هذه "الأوعية الدموية" على مكون أساسي يتواجد مؤقتًا أثناء عملية الصب، وهو اللب الخزفي.

حاليًا، الطريقة السائدة لتصنيع مثل هذه الشفرات المجوفة المعقدة هي صب الاستثمار. من بينها، أصبحت النوى الخزفية القائمة على السيليكون هي الخيار الأول نظرًا لأدائها العام الجيد. ومع ذلك، نظرًا لأن تصميمات الشفرات أصبحت أكثر تعقيدًا، فقد أظهرت طرق التصنيع التقليدية (مثل الختم الساخن) علامات التعب من حيث دقة التشكيل ووقت الدورة. أصبحت تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد للمعالجة الضوئية الرقمية (DLP) أداة مثالية لإعداد النوى الخزفية المعقدة نظرًا لدقتها العالية وقدراتها على النماذج الأولية السريعة. ولكن تلا ذلك تحدٍ "قاتل": إن قلب السيراميك المصنوع من السيليكون المطبوع ثلاثي الأبعاد عرضة لانكماش شديد في الصب وتشوه زحف بسبب ارتفاع درجة الحرارة أثناء عملية الصب بالتصلب الاتجاهي ذات درجة الحرارة العالية اللاحقة، مما يؤدي إلى أبعاد غير دقيقة للتجويف الداخلي للشفرة، أو حتى التخريد المباشر.

وفي هذا الصدد، توفر دراسة في مجلة "المواد" حلاً مبتكرًا: إضافة كميات ضئيلة من نانو الألومينا.

منحنى التلبيد

خلفية البحث

لفهم سبب "تليين" النوى الخزفية المصنوعة من السيليكون المطبوعة ثلاثية الأبعاد، علينا أن نبدأ بالعالم المجهري للمادة. المكون الرئيسي في النوى الخزفية القائمة على السيليكون هو السيليكا المنصهرة (زجاج الكوارتز)، والتي تنعم في حد ذاتها وتخضع لتدفق لزج عند درجات حرارة عالية. أثناء عملية الصب، يحتاج اللب إلى الخضوع لاثنين من "اختبارات الخبز" ذات درجة الحرارة العالية: أحدهما التلبيد (لاكتساب القوة من اللب)، والآخر الصب (الاتصال بمعدن منصهر ذو درجة حرارة عالية).

عند درجات الحرارة المرتفعة، يحدث أمران للكوارتز المنصهر: 1. التكثيف: تتضاءل المسام بين الجزيئات وينكمش الحجم. 2. التبلور: يتم تحويل الكوارتز المنصهر غير المتبلور جزئيًا إلى كريستال بلوري. سيتعرض Cristobalite لانكماش شديد في الحجم (حوالي 1-2%) عند تبريده، مما يتسبب في تشقق النواة أو تشوهها.

فالحلول التقليدية، مثل زيادة درجة الحرارة المتقطعة أو تحقيق الحد الأمثل من المطابقة على مستوى الجسيمات، في حين أن تحسين تناقض الجوهر، غالبا ما تكون على حساب معدلات السخرية. ومن ناحية أخرى، فإن معدل الإباحة أساسي لإزالة النواة (التي يتم حلها كيميائيا) بعد العثور عليها. This creates a dilemma: whether to be strong or to be detached?

الطرق

وقد اختار باحثو الورقة، الذين سلكوا مساراً مختلفاً، أوكسيد ألومنيوم من درجة عالية من النشاط النانو (Al2O3) باعتباره عاملاً تصحيحياً يضاف إلى البلازما السيرامية ذات الـ 3D. وهذه الإضافات صغيرة جدا، تتراوح بين صفر و 1.0 في المائة من مجموع الكتلة.

يتمثل الابتكار الأساسي في استخدام مساحة السطح المحددة العالية والتفاعل الكيميائي للألومينا النانوية للتفاعل في الموقع مع الكوارتز المنصهر أثناء عملية التلبيد لتوليد الموليت (3Al₂O₃·2SiO₂) أو تغيير بنية الشبكة للطور الزجاجي، وبالتالي تحسين مقاومة التشوه في درجات الحرارة العالية للقلب دون تقليل المسامية بشكل كبير.

مسح صور المجهر الإلكتروني لسطح قلب السيراميك الملبد، حيث تكون نسبة إضافة مسحوق الألومينا النانوي: (أ) 0.0٪ بالوزن؛ (ب) 0.2% بالوزن؛ (ج) 0.4% بالوزن؛ (د) 0.6% بالوزن؛ (هـ) 0.8% بالوزن؛ (و) 1.0% بالوزن.

الصورة أعلاه توضح بوضوح التغيرات في البنية المجهرية. تكون العينة التي لا تحتوي على الألومينا النانوية (A-00) كثيفة للغاية بعد التلبيد وتحتوي على حبيبات خشنة. على الرغم من أن هذا يجلب قوة عالية، إلا أنه ينكمش بشكل كبير ويجعل إزالة اللب أمرًا صعبًا. تحتوي العينة (A-06) المضاف إليها 0.6% نانو ألومينا على مسام صغيرة وموحدة بداخلها، كما يتم تكرير الحبوب بشكل ملحوظ. وهذا دليل مباشر على أن نانو الألومينا يمنع التكثيف المفرط للسيليكا المنصهرة وبلورة الكريستوباليت.

النتائج

تنعكس التغييرات في البنية المجهرية بشكل مباشر في الخصائص العيانية. قام الباحثون بقياس الانكماش الخطي بشكل منهجي، ودرجة حرارة الغرفة/قوة الانحناء عند درجة حرارة عالية، وتشوه الزحف بدرجة حرارة عالية، وخشونة سطح القلب بعد التلبيد ومحاكاة الصب تحت محتويات مختلفة من نانو الألومينا.

1. الانكماش - يبلغ انكماش التلبيد للعينة دون إضافة ألومينا نانو حوالي 3.5%، ويصل الانكماش بعد محاكاة الصب إلى حوالي 7.5%. - بالنسبة للعينة المضاف إليها 0.6% نانو ألومينا، انخفض انكماش التلبيد بشكل حاد إلى 1.86%، وكان الانكماش بعد محاكاة الصب 4.41% فقط. لقد انخفض الانكماش إلى النصف تقريبًا!

2. الخواص الميكانيكية: تزيد أولاً ثم تقل، وهناك قيمة مثلى. - مع زيادة محتوى الألومينا النانوية من 0 إلى 0.6%، تزيد قوة الانحناء في درجة حرارة الغرفة قليلاً أو تظل مستقرة. - ولكن عندما يتجاوز المحتوى 0.8% تبدأ قوته في الانخفاض بشكل ملحوظ. والسبب هو أن جزيئات الألومينا النانوية الزائدة يمكن أن تدمر الرابطة بين طبقات السيراميك، مما يؤدي إلى تقشير الجسيمات وتشقق الطبقات البينية. - من أجل التعويض عن فقدان القوة الناجم عن تثبيط التكثيف، اعتمد الباحثون أيضًا حلاً بسيطًا وفعالاً بعد العلاج: الغمس والتقوية بمحلول كحول البولي فينيل (PVA). بعد المعالجة، فإن قوة الانحناء في درجة حرارة الغرفة لجميع العينات تلبي متطلبات صب الاستثمار.

3. زحف درجات الحرارة العالية: يتم تعزيز مقاومة التشوه بشكل كبير. - يعد تشوه الزحف الناتج عن درجة الحرارة العالية مؤشرًا رئيسيًا على ما إذا كان القلب يمكنه الحفاظ على دقة الأبعاد أثناء عملية الصب. تظهر التجارب أنه بعد إضافة نانو الألومينا، يتم تقليل تشوه الزحف للقلب عند درجات الحرارة المرتفعة بشكل كبير. على سبيل المثال، بعد الاحتفاظ به عند 1200 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة، يكون تشوه الزحف للعينة A-06 أصغر بكثير من العينة A-00.

تأثير مسحوق الألومينا النانوي على الانكماش الخطي لقلب السيراميك أثناء التلبيد عند درجة حرارة 1200 درجة مئوية.

تأثير مسحوق الألومينا النانوي على قوة الانحناء في درجة حرارة الغرفة لقلب السيراميك الملبد قبل وبعد التقوية.

لماذا يمكن أن يكون للألومينا النانوية مثل هذا التأثير السحري؟ وكشف الباحثون عن الآلية الكامنة وراء ذلك من خلال حيود الأشعة السينية (XRD) وتحليل البنية المجهرية:

• تثبيط التكثيف: تزيد الألومينا النانوية بين جسيمات السيليكا المنصهرة الاحتكاك وحواجز التلبيد، فتحد من حركة الجسيمات وترتيبها وتحافظ على مسام أكثر.

• تثبيط الكريستوباليت: تغير تفاعلات الواجهة شبكة الزجاج وترفع اللزوجة وطاقة تنشيط التبلور، فتحد من تكوين الكريستوباليت وتغير الحجم والتشقق أثناء التبريد.

• هيكل داعم: تتحول بعض الألومينا النانوية عند حرارة مرتفعة إلى شعيرات أو جسيمات موليت، مكوّنة هيكلًا ميكرويًا حراريًا داخل الطور الزجاجي يقاوم التشوه.

مورفولوجيا XRD للنوى الخزفية بمحتويات مختلفة من مسحوق الألومينا النانوي بعد المعالجة الحرارية عند 1540 درجة مئوية.

الاستنتاجات

تعطي هذه الدراسة نتيجة واضحة: إضافة مسحوق نانو ألومينا بنسبة 0.6% بالوزن هو الحل الأمثل لإعداد نوى السيراميك عالية الأداء القائمة على السيليكون من خلال تقنية الطباعة DLP ثلاثية الأبعاد. يمكن أن يقلل بشكل كبير من الانكماش وتشوه الزحف الناتج عن درجة الحرارة العالية، وفي نفس الوقت يعوض النقص في القوة من خلال المعالجة اللاحقة البسيطة لـ PVA، وأخيرًا الحصول على نواة ذات دقة أبعاد عالية، وأداء إزالة نواة جيد، وتلبية متطلبات الصب.

وتكمن أهمية هذا العمل ليس فقط في توفير صياغة محددة، بل أيضا في إظهار تحول مادي " صغير الحجم " في التفكير. وفي الميدان الناشئ للطباعة 3D، كثيرا ما يصعب الوفاء بمتطلبات العمليات الصارمة بشكل مباشر. ومن خلال إدخال التركيزات النانوية الصغيرة والشديدة النشاط، يمكن " تنظيم الهيكل الجزئي والأداء العالي التمرين للمواد تنظيما دقيقا " لحل معضلة الأساليب التقليدية.

قلب سيراميك مطبوع من KUNWU

معلومات الاقتباس الورقي: Li X، Chen