[发明专利]一种用于3D打印氧化锆陶瓷结构的残余应力无损检测方法

说明书

本发明公开了一种用于3D打印氧化锆陶瓷结构的残余应力无损检测方法，包括以下步骤：1)标定3D打印陶瓷结构中被掺杂应力传感材料的荧光峰位与所受应力关系式：2)利用步骤1)得到的荧光峰位与所受应力关系式，测定该3D打印陶瓷结构关键部的残余应力。本发明通过3D打印氧化锆陶瓷技术，在氧化锆陶瓷结构内部需要进行残余应力测量的部位预先掺杂具有弹性应力荧光特性的应力传感材料，利用应力传感材料的荧光光谱峰位与其所受应力的线性演变关系，实现氧化锆陶瓷结构内部关键区域残余应力的无损检测。

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种用于3D打印氧化锆陶瓷结构的残余应力无损检测方法。

背景技术

3D打印技术对于小规模制造，尤其是高端定制化产品和具有复杂结构的产品，有着独特的优势。目前3D打印已经广泛应用于航空、航天、航海、医学、建筑、汽车、电子等多种领域。对于陶瓷材料而言，3D打印技术提供了制备复杂形状陶瓷结构的可能，是航空发动机叶片、高超声速飞行器前缘等关键部位陶瓷结构承载隔热一体化设计的重要发展方向。其中，3D打印氧化锆陶瓷是一种重要的耐高温结构。然而，3D打印氧化锆陶瓷结构内部的残余应力对其服役性能有着至关重要的影响，某些关键部位的应力集中往往导致氧化锆陶瓷结构的过早失效。因此，3D打印氧化锆陶瓷结构关键部位残余应力的在线检测是保障其安全服役的重要前提。

目前，3D打印氧化锆陶瓷结构的应力检测面临着以下几个尚待解决的问题：(1)关键部位较深内部残余应力的检测。现有以X射线衍射分析仪(XRD)为代表的残余应力检测技术只能检测材料及结构表面的应力，深度仅为10μm～50μm之间。(2)复杂结构的残余应力。由于复杂结构外形的遮挡限制了检测设备摆放的空间，比如某些小直径管状结构的内表面等。(3)应力的无损检测。现有可检测较深内部应力水平的检测手段(弯曲法、钻孔法等)需要与被测对象进行接触甚至对其产生破坏，这导致其无法对真实陶瓷结构中的残余应力进行原位在线检测。综上所述，发展3D打印氧化锆陶瓷结构内部较深位置处及复杂外形条件下残余应力的无损检测方法极为重要，目前还尚未见到相关方法的报道。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种用于3D打印氧化锆陶瓷结构的残余应力无损检测方法，该方法通过3D打印陶瓷技术，在氧化锆陶瓷结构内部需要进行残余应力测量的部位预先掺杂具有弹性应力荧光特性的应力传感材料，利用应力传感材料的荧光光谱峰位与其所受应力的线性映射关系，实现氧化锆陶瓷结构内部关键区域残余应力的无损检测。

本发明采用如下技术方案来实现：

一种用于3D打印氧化锆陶瓷结构的残余应力无损检测方法，包括以下步骤：

1)标定3D打印陶瓷结构中被掺杂应力传感材料的荧光峰位与所受应力关系式；

2)利用步骤1)得到的荧光峰位与所受应力关系式，测定该3D打印陶瓷结构关键部的残余应力。

本发明进一步的改进在于，步骤1)的具体实现方法如下：

101)将用于3D打印的陶瓷粉末材料与相应的具有荧光光谱效应的应力传感粉末按预设的质量比混合，搅拌，得到混合粉末；

102)利用可打印陶瓷的3D打印机将上述混合粉末打印成陶瓷块材；

103)在上述陶瓷块材不受任何外界载荷的条件下，利用荧光光谱仪测定陶瓷块材中掺杂的应力传感元素的荧光光谱，得到无应力条件下被掺杂应力传感元素的光谱响应曲线；然后将陶瓷块材夹持于微型压缩台，并置于荧光光谱仪下，对其施加不同的载荷，记录不同应力水平下陶瓷块材中掺杂的应力传感元素的荧光光谱响应曲线；

104)将荧光光谱曲线数据导出，并使用MATLAB软件对曲线进行Gauss拟合，寻找被掺杂稀土元素的典型荧光光谱峰位，确定零应力下的荧光光谱峰位值W(0)及一系列不同应力P下的荧光光谱峰位值W(P)；