西工大苏海军教授顶刊丨大尺寸异形超高温氧化物共晶陶瓷激光增材制造

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随着航空航天技术的快速发展，迫切需要进一步优化新型轻质高强超高温结构材料及其制备技术。通过定向凝固等熔体生长技术制备的高熔点氧化铝基共晶陶瓷，突破了传统烧结陶瓷在高温力学性能方面的瓶颈。这种高熔点氧化铝基共晶陶瓷样件在室温至熔点附近具有持久的强度，并且具备出色的高温结构稳定性、耐腐蚀性和天然的抗氧化性。因此，人们普遍将其视为在极端工作环境下具有最大发展潜力的新一代超高温结构材料。

然而，复杂形状的共晶陶瓷样件难以通过现有的制备技术制造，这严重限制了高性能共晶陶瓷材料的工业应用。近年来，激光增材制造技术快速发展，具备无需模具夹具、高柔性制造等加工特点。尤其是在制备大尺寸复杂结构样件方面，激光增材制造技术具有无与伦比的优势，为高性能共晶陶瓷的制备提供了一种新的技术途径。

近日，西北工业大学苏海军教授团队利用激光定向能量沉积技术制备了Al₂O₃/GAP /ZrO₂三元共晶陶瓷，并分析了共晶陶瓷在逐层熔覆沉积过程中裂纹形成和扩展的规律，同时提出了抑制裂纹的方法。文章建立了共晶陶瓷在激光增材制造过程中的连续稳定成形判据，实现了试样沉积高度随沉积层数的线性增加。研究团队成功制备了高度大于410 mm且无明显宏观裂纹的高致密共晶陶瓷棒状试样，并进一步制备了具有“拐角”特征结构的不规则共晶陶瓷试样。

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103563

该研究成果以"One-step preparation of melt-grown Al₂O₃/GdAlO₃/ZrO₂ eutectic ceramics with large size and irregular shape by directed energy deposition" 为题发表在增材制造领域的顶级期刊《Additive Manufacturing》上。

图1. 通过参数优化进行裂纹控制：a）提高扫描速度，b）缩短扫描长度

高熔点氧化物共晶陶瓷在高梯度激光逐层熔覆沉积过程中极易形成裂纹，裂纹根据扩展方向的不同可分为纵向裂纹和横向裂纹，而纵向裂纹对试样成形质量的影响占主导地位。纵向裂纹由试样底部萌生，并随着沉积层数的增加沿沉积方向扩展。裂纹的形成与扩展与沉积试样的微观结构密切相关。研究发现，在沉积试样与基板交界处存在大量孔隙等缺陷，在激光熔覆沉积过程中因应力集中会成为裂纹萌生的源头。此外，激光增材制造氧化物共晶陶瓷呈沿沉积方向纵向延伸的共晶胞结构，胞间区域组织粗大，且易形成孔隙等缺陷。因此，随着热应力的逐层累积，在试样底部萌生的裂纹会优先沿胞间区域扩展形成纵向裂纹。

图1所示为工艺参数对裂纹形成及扩展的影响规律。研究发现，通过增大扫描速率和缩短扫描长度能够有效抑制裂纹的形成，其中，缩短扫描长度的效果更加显著。当扫描长度减小至5 mm时，在沉积800层所得陶瓷试样中仍未发现明显的宏观裂纹形成。

图2. 逐层制备过程中顶层的形态演变

通过分析逐层熔覆沉积过程，基于理想沉积情况下的质量守恒定律以及实际加工过程中的合理假设，建立了激光增材制造氧化物共晶陶瓷连续稳定沉积判据。基于该判据，通过工艺调控，在1.25 s的层加工时间条件下实现了试样沉积高度随沉积层数的线性增加，在沉积5200层后，得到了高度>410 mm且无明显宏观裂纹的棒状共晶陶瓷试样。

图3. 激光喷嘴增量对DED工艺的影响：a）不同激光喷嘴增量制备的共晶陶瓷样品，b）样品沉积高度的变化，c）层厚度的变化，d）层厚偏差的变化

图4. DED稳定制备Al2O3/GdAlO3/ZrO2共晶陶瓷：a）无裂纹5200层共晶陶瓷棒，b）不同扫描策略，c）不同参数组合制备的试件

本文的研究成果可为高熔点氧化物共晶陶瓷一步近净成形、凝固缺陷控制及大尺寸复杂结构样件制备提供理论基础和技术支撑。

来源：增材制造硕博联盟

Additive 航空航天增材裂纹参数优化理论材料控制模具

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首次发布时间：2023-06-08