西工大蘇海軍教授頂刊：定向能量沉積法一步制備大尺寸不規則的熔融生長Al2O3/GdAlO3/ZrO2共晶陶瓷

一、【導讀】

? ? ? ? ?熔融生長Al₂O₃基共晶陶瓷具有熔點高、密度低、比強度高、耐熱性好、耐腐蝕性和抗氧化性，尤其是它們的強度可以從室溫到接近其熔點的高溫保持。因此它們被認為是新一代超高溫結構材料的有力候選者。定向能量沉積技術（DED）因其在一步制造大樣品尺寸和復雜形狀的高致密零件方面的獨特優勢，已成為一種無需燒結即可直接制備高性能Al₂O₃基共晶陶瓷的技術。然而，由于DED過程的循環掃描、局部快速熔化和冷卻以及陶瓷固有的硬脆特性，DED制備陶瓷材料的研究還處于起步階段，缺陷控制和生長過程優化仍然是該領域的研究熱點。

二、【成果掠影】

? ? ? ? 近日，西北工業大學蘇海軍教授等人采用DED技術增材制造了不同形狀的超高溫Al₂O₃/GdAlO₃/ZrO₂三元共晶陶瓷，并研究了陶瓷在制備過程中裂紋的形成、演化和消除。研究發現裂紋可分為橫向裂紋和縱向裂紋兩種類型，縱向裂紋對陶瓷試件成形質量的影響占主導地位。通過調控掃描矢量長度，可以有效抑制裂紋的形成。此外，在裂紋控制的基礎上，建立了共晶陶瓷分層穩定成形的理論準則。作者還系統地研究了工藝參數對層厚的影響，并建立了DED連續穩定形成共晶陶瓷的標準。在此基礎上，通過精確控制沉積高度的增加與激光噴嘴的升降同步，3D打印出高長徑比且無明顯宏觀裂紋的Al₂O₃/GdAlO₃/ZrO₂共晶樣品。所得結果可為大尺寸、復雜形狀的高性能氧化物共晶陶瓷的激光增材制造和凝固缺陷控制奠定理論和技術基礎。該研究成果以題為“One-step preparation of melt-grown Al₂O₃/GdAlO₃/ZrO₂ eutectic ceramics with large size and irregular shape by directed energy deposition”發表在Additive Manufacturing上。

三、【核心創新點】

1. 本文研究了共晶陶瓷定向能量沉積過程中裂紋的形成、演化和消除。
2. 該研究建立了分層穩定制備共晶陶瓷的理論標準。
3. 本文實現了樣品高度>410mm的棒狀和角狀共晶陶瓷的一步制備和無裂紋形成。

四、【數據概覽】

圖1. DED 制備共晶陶瓷的加工示意圖和噴出粉末的運動軌跡。? 2023 Additive Manufacturing

? ? ? ? 如圖1a所示。陶瓷粉末通過高純度氬氣從單鼓送粉器輸送到激光噴嘴。噴出粉末的運動軌跡如圖1b所示。可以看出粉末先會聚然后發散。粉末集中區域在激光噴嘴下方10?20mm。因此，激光噴嘴和基板之間的初始距離設置為10mm。采用單因素變量法，通過單道多層實驗研究加工參數對樣品高度的影響。通過場發射掃描電子顯微鏡檢測樣品微觀結構。

圖2. DED處理的Al₂O₃/GdAlO₃/ZrO₂共晶陶瓷的裂紋特征。? 2023 Additive Manufacturing

? ? ? ? 如圖2a所示。可以看出采用DED法制備的800層薄壁結構的Al₂O₃/GdAlO₃/ZrO₂共晶樣品中形成了大量裂紋，按其傳播方向可分為橫向裂紋和縱向裂紋兩種。橫向裂紋起始于樣品側面并沿激光掃描方向擴展，而縱向裂紋起始于試樣底部或以橫向裂紋為基礎沿沉積方向擴展。此外，縱向裂紋的尺寸遠大于橫向裂紋，表明縱向裂紋對成形質量有顯著影響。此外，裂紋不會線性傳播，而是會局部偏轉。在裂紋擴展過程中，會發生分叉，形成二次裂紋甚至三次裂紋，如圖2b所示。隨著分叉的發生，裂縫寬度逐漸減小。對于薄壁結構陶瓷樣品，沿掃描方向產生的應力一般高于其他方向。因此，通常首先誘發縱向裂紋（圖2c）。隨著沉積層的堆疊，殘余應力沿沉積方向的影響逐漸增大，導致橫向裂紋的形成（圖2d）。因此，橫向裂紋的形成通常滯后于縱向裂紋的形成。

圖3. 裂紋形成與微觀結構之間的關系。? 2023 Additive Manufacturing

? ? ? ? 陶瓷加工過程中不可避免的微缺陷是裂紋形成的主要來源。在底部觀察到許多微缺陷，如圖3a所示DED處理的Al₂O₃/GdAlO₃/ZrO₂共晶陶瓷，這些缺陷在激光增材制造過程中會成為應力集中區，誘發縱向裂紋的形成。裂紋擴展路徑與試樣的微觀結構密切相關，它傾向于沿著阻力較小的方向擴展。DED處理的Al₂O₃/GdAlO₃/ZrO₂共晶陶瓷具有沿沉積方向縱向延伸的共晶團結構（圖3b）。胞間區域是具有不同生長方向的晶界，該區域容易形成氣孔等微缺陷（圖3c）。因此，縱向裂紋將優先沿細胞間區域擴展（圖3d）。另一方面，橫向裂紋的擴展需要穿透大量細小的共晶組織和牢固結合的相界，這會消耗更多的能量。因此，其傳播能力和傳播距離受到限制。

圖4. 通過參數優化控制裂紋。? 2023 Additive Manufacturing

? ? ? ? 圖4a為不同掃描速度下制備的200層薄壁Al₂O₃/GdAlO₃/ZrO₂共晶樣品，可以看出，裂紋數量隨著掃描速度的增加而減少，在480mm/min下制備的試樣表面未觀察到宏觀裂紋。因此，提高掃描速度可以有效抑制裂紋的形成。提高掃描速度可以顯著加快熔池的凝固速度，從而細化沉積態材料的微觀結構，提高其斷裂強度，抑制裂紋的形成和擴展。圖4b為800層薄壁Al₂O₃/GdAlO₃/ZrO₂共晶樣品，以360mm/min的掃描速度改變掃描矢量長度制備。可以看出，采用15mm掃描矢量長度制備的試件形成了大面積的縱向裂紋和橫向裂紋，試件底部發生嚴重翹曲。當掃描矢量長度為10mm時，試樣僅包含一些小尺寸的橫向裂紋。在用5mm的掃描矢量長度制備的樣品中未發現明顯的宏觀裂紋。

圖5-6. （圖5）逐層制備過程中頂層的形態演化圖，（圖6）激光噴嘴增量對DED過程的影響。? 2023 Additive Manufacturing

? ? ? ? 在裂紋控制的基礎上，應該保持增材制造過程的穩定，以便制備大尺寸樣品。在逐層沉積過程中，頂層部分重熔形成熔池，未重熔部分成為內層，如圖5所示。此外，理想沉積過程的一個等價關系是內部沉積層的厚度Δz應等于噴嘴每層的提升高度Δh，為了選擇合適的Δh，作者研究了Δh對沉積高度和層厚度的影響。圖6a顯示了在不同Δh下制備的800層共晶陶瓷樣品。發現沉積高度和層厚均隨著Δh的增大先增大后減小，最大值位于Δh=0.08mm處，如圖6b和c所示。此外，(Δh?Δz)/Δh隨Δh的增大先減小后增大，如圖6d所示，表明當Δh為0.08mm時，實際層厚最接近理論層厚。因此，在后續的沉積實驗中，Δh設置為0.08mm。

圖7-10. （圖7）沉積高度隨沉積層數的變化；（圖8）通過DED制備的Al₂O₃/GdAlO₃/ZrO₂共晶陶瓷的穩定制備；（圖9）在不同參數下制備的樣品的沉積高度和層厚；（圖10）通過DED分層制造異形共晶樣品。? 2023 Additive Manufacturing

? ? ? ? 經過一系列參數探究，作者得到了一系列的參數組合，在此參數組合的基礎上，進一步增加層數制備更高的樣品。發現樣品高度隨沉積層數線性增加（圖7），通過擬合發現它們之間的關系滿足線性關系。擬合結果發現代表平均層厚度的直線斜率與預設的Δh一致，滿足穩定分層沉積的理想標準。如圖8a所示，經過5200層沉積后，成功制造出高度>410mm的共晶陶瓷棒。值得注意的是，在可調節的工藝參數中，掃描速度和掃描矢量長度是主要決定沉積樣品的凝固微觀結構、性能、加工效率和尺寸的參數。只需調整主導參數即可有效簡化加工控制難度。掃描速度和掃描矢量長度共同決定了沉積層的處理時間。計算出上述條件下的處理時間為1.25s。為了研究這個值的代表性，作者同時改變掃描矢量長度和掃描速度，以保持它們的比率恒定在1.25s。使用的掃描策略如圖8b所示，相應的沉積800層樣品如圖8c所示，而它們的樣品高度和層厚度如圖9所示。可以看出，所有沉積高度都非常接近理論值64mm。在同時改變掃描速度和掃描矢量長度，保持層處理時間不變1.25s的情況下，采用“L”形循環掃描策略，如圖10a用于分層制造共晶陶瓷，經過參數設置，實現了角形共晶樣品的一步制備（圖10b）。

五、【成果啟示】

? ? ? ? 在該工作中，作者建立了共晶陶瓷連續穩定成形的理論準則。在此基礎上，3D打印了高長徑比（高度>410mm）、無明顯宏觀裂紋的角形Al₂O₃/GdAlO₃/ZrO₂共晶樣品。所得結果可為大尺寸、復雜形狀的高性能氧化物共晶陶瓷的激光增材制造和凝固缺陷控制奠定理論和技術基礎。

? ? ? ? 文獻鏈接: Haijun Su, Haifang Liu, et al. One-step preparation of melt-grown Al2O3/GdAlO3/ZrO2 eutectic ceramics with large size and irregular shape by directed energy deposition. Additive Manufacturing. 2023, 103563, ISSN 2214-8604, https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103563

本文由MichstaBe孫國文供稿