1 、【導讀】

先進科學技術的發展對機械零部件的綜合性能和結構效率提出了更高的要求。功能梯度材料（Functionally graded materials, FGM）可以通過微觀結構、孔隙度或成分的梯度變化來實現功能的梯度轉變，進而在同一個零件的不同部位發揮所需的性能。因此，在復雜工況下，功能梯度材料受到越來越多的關注。功能梯度陶瓷（Functionally graded ceramics, FGC）作為一種以陶瓷為組成材料的功能梯度材料，它能夠結合不同陶瓷的特殊性能，如耐高溫、耐磨性和生物相容性等，在航空航天、生物醫學、軍事防護、機械加工等領域有著廣泛的應用前景。Al₂O₃-ZrO₂作為陶瓷梯度材料的一種，既能保留Al₂O₃本身高強度、高硬度的力學性能和低成本的應用優勢，又可以兼顧ZrO₂的增韌機制和耐沖擊特性。未來Al₂O₃-ZrO₂?FGC有希望應用于輕型裝甲用防護材料、火箭發動機的冷卻推力室等領域。

目前，FGC的制備方法主要包括粉末冶金、等離子噴涂、立體光刻、擠壓成型等，這些工藝大都在后續燒結過程中協調不同陶瓷材料之間的微觀結構和性能方面存在一定難度。此外，現有FGC的致密化過程基本上是在粉末的固態狀態下實現的，梯度層之間的界面很明顯，不利于性能的均勻轉變。因此，開發工藝簡單、材料成分過渡更均勻的新型制備方法是十分必要的。激光定向能量沉積技術以其獨特的成形工藝特點成為目前功能梯度材料研究中的主流技術之一。然而，目前利用激光定向能量沉積技術制備的功能梯度材料多數集中在金屬-金屬、金屬-陶瓷型材料體系，關于陶瓷-陶瓷型梯度材料的研究還有待于進一步深入和完善。

2 、【成果掠影】

近日，大連理工大學吳東江教授團隊報道了一種制備Al₂O₃-ZrO₂陶瓷功能梯度材料的方法，區別于傳統的先成型后燒結的成形工藝，該方法利用材料成分設計靈活和高工藝柔性的激光定向能量沉積技術，在成形過程中通過CNC數控程序實時改變Al₂O₃、ZrO₂兩種粉末材料的送粉量，從而實現功能梯度構件的直接成形。共制備了包含直接過渡在內的四種不同梯度過渡的Al₂O₃-ZrO₂陶瓷功能梯度構件，驗證了梯度過渡方式在緩和界面應力，促進微觀組織、主要組成元素、力學性能平滑過渡方面有顯著效果。實驗結果表明，直接過渡樣件中宏觀界面顯著，界面區承受因材料間熱物理性質差異而引起的拉應力，產生明顯的縱向裂紋，幾乎沒有結合強度。在界面附近Al、Zr兩種主要元素變化趨勢呈現為階躍式的急劇變化。梯度過渡方式可以有效抑制裂紋，避免微觀組織和元素的階躍式變化。其中，AZ25、AZ20 FGC樣件的力學性能實現了近線性的平滑轉變。經過三點抗彎實驗后，FGC樣件純Al₂O₃與梯度區的結合界面處斷裂模式以穿晶斷裂為主，結合強度顯著提高，界面處最大彎曲強度提升到160.19 MPa。相關論文以題為“Direct additive manufacturing of melt growth Al₂O₃-ZrO₂?functionally graded ceramics by laser directed energy deposition”發表在Journal of the European Ceramic Society上。

3、【 核心創新點】

1. 采用激光定向能量沉積技術實現了熔體自生Al₂O₃-ZrO₂陶瓷功能梯度材料的制備。
2. 梯度過渡有效地抑制了直接過渡界面處的裂紋，實現了微觀結構、元素成分、力學性能的平滑過渡，顯著提高了界面結合強度。

4 、【數據概覽】

圖一、Al₂O₃-ZrO₂陶瓷梯度構件

(a) AZ100，Al₂O₃-ZrO₂直接過渡；

(b) AZ50，梯度區由50 wt%Al₂O₃+50 wt%ZrO₂組成；

(c) AZ25，樣件自純Al₂O₃側開始，Al₂O₃含量依次遞減25 wt%，直至過渡到純ZrO₂；

(d) AZ20，樣件自純Al₂O₃側開始，Al₂O₃含量依次遞減20 wt%，直至過渡到純ZrO₂；

(e) 四組樣件純Al₂O₃段與梯度區域結合界面處裂紋滲透探傷結果。

圖二、Al₂O₃-ZrO₂陶瓷梯度構件微觀組織過渡特性

(I)

?(II)

?(III)

(IV)

(I)?AZ100微觀組織演變，(a) 純Al₂O₃側組織；(b) 界面處組織過渡；(c)-(g) 界面處組織經歷離異共晶-亞共晶-過共晶轉變；(h) ZrO₂側組織；

(II)?AZ50微觀組織演變，(a) 結合界面處組織；(b)-(d) 亞共晶組織；(e) 共晶組織；(f)-(h) 過共晶組織；

(III)?AZ25微觀組織演變，(a) 結合界面處組織；(b)-(h) 亞共晶組織；(i) 共晶組織；(j)-(l) 過共晶組織；

(IV)?AZ20微觀組織演變，(a) 結合界面處組織；(b)-(g) 亞共晶組織；(h) 共晶組織；(i)-(l) 過共晶組織。

圖三、Al₂O₃-ZrO₂陶瓷梯度構件中Al、Zr元素過渡特性

(a)-(a₃) AZ100樣件中Al、Zr元素在Al₂O₃與ZrO₂結合界面處面掃描及整體分布線掃描結果；

(b)-(b₃) AZ50樣件中Al、Zr元素在純Al₂O₃與梯度區結合處面掃描及整體分布線掃描結果；

(c)-(c₃) AZ25樣件中Al、Zr元素在純Al₂O₃與梯度區結合處面掃描及整體分布線掃描結果；

(d)-(d₃) AZ20樣件中Al、Zr元素在純Al₂O₃與梯度區結合處面掃描及整體分布線掃描結果。

圖四、Al₂O₃-ZrO₂陶瓷梯度構件力學性能過渡特性

(a)-(d) AZ100、AZ50、AZ25、AZ20樣件顯微硬度分布；

(e)-(h) AZ100、AZ50、AZ25、AZ20樣件斷裂韌性分布。

圖五、Al₂O₃-ZrO₂陶瓷梯度構件界面抗彎強度及斷口形貌

(a)-(d) AZ100、AZ50、AZ25、AZ20樣件在純Al₂O₃與梯度區結合界面處三點抗彎斷口形貌；

(e) AZ100在過渡界面處斷裂宏觀示意圖；

(f) AZ50、AZ25、AZ20樣件三點抗彎強度數值。

5 、【成果啟示】

綜上所述，本文為陶瓷-陶瓷型功能梯度材料的制備提供了新的成形手段。隨著成形過程中送粉量的連續變化，所制備的陶瓷梯度樣件在組織、元素、性能分布上實現了平滑過渡，梯度區域無顯著界面，且純Al₂O₃與梯度區結合良好。這種成形方法有利于推動陶瓷梯度材料朝著梯度成分、結構設計以及成形工藝更加多樣化的方向發展。隨著激光定向能量沉積技術和陶瓷功能梯度材料設計相關研究的進一步深入，有望在未來制備出大尺寸、更高結合強度的陶瓷功能梯度材料，進一步拓寬其應用領域。

文獻鏈接：“Direct additive manufacturing of melt growth Al₂O₃-ZrO₂?functionally graded ceramics by laser directed energy deposition”（Journal of the European Ceramic Society, 2022, 10.1016/j.jeurceramsoc.2022.01.034）

本文由作者供稿。