熔体自生陶瓷激光直接能量沉积增材制造研究进展

| 3DScienceValley · 2022/07/25

以下文章来源于材料工程

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背景介绍

随着人类对于飞行器高机动性、长航程、长寿命、低油耗以及重型燃机高热效率、低排放等高效能指标的不断追求，两机系统热端部件1650 ℃以上高温富氧的服役环境对高温结构材料的承温极限及高温性能提出了愈加苛刻的要求。以氧化物共晶陶瓷为代表的熔体自生陶瓷（melt growth ceramics, MGC）是20世纪末迅速发展起来的一种新型高温复合材料。激光直接能量沉积（laser directed energy deposition, LDED）是一种基于同步送料的增材制造技术。该技术利用高功率激光束将同步输送的无黏结剂高纯陶瓷原料完全熔化，通过定域沉积实现了“高性能陶瓷材料制备”与“复杂构件成形制造”的一体化，能够有效克服熔体自生陶瓷传统制备方法在周期、能耗及结构复杂度等方面的局限，为直接增材制造熔体自生陶瓷构件提供了新的解决方案。本文在介绍激光直接能量沉积技术工艺原理的基础上，总结了国内外利用该技术制备的不同熔体自生陶瓷的微观组织特征及其主要力学性能，并综合论述了目前针对微观组织及开裂行为调控所开展的主要研究。基于现有研究进展，对该领域的发展趋势和需进一步解决的关键科学问题进行了探讨。

LDED技术介绍

LDED技术是一种基于同步送料的增材制造技术，其技术原理如图1所示。该技术以CAD数字模型为基础，采用粉末、丝材等为原料，通过高能量密度激光束在沉积区域熔化同轴或者旁轴方式输送至激光光斑的粉末，逐层沉积实现零件三维结构的近净成形。同步送料-原位沉积的成形方式赋予了该技术在零件制造周期与材料利用率方面的极大优势以及在材料组成及形状尺寸控制方面的高度柔性。相比于传统MGC制备工艺，利用LDED技术制备MGC材料工艺更加简单，而且可以实现多材料或梯度材料构件的制备，也可方便地在原料中掺杂纤维或颗粒增强相以提升MGC构件性能。

图1 LDED工艺原理

MGC-LDED典型微观组织及性能特征

自美国华盛顿州立大学的Balla等人验证了LDED直接增材制造MGC构件的可行性以来，国内外研究机构的学者陆续开展了MGC-LDED技术的研究，实现了熔体自生ZrO2陶瓷、Al2O3/ZrO2复合陶瓷、Al2O3基三元共晶陶瓷、铝镁尖晶石透明陶瓷、磷酸钙生物陶瓷等陶瓷材料的成功制备，并就成形工艺、材料微观组织特征及力学性能等进行了初步研究。现有利用LDED技术制备的MGC材料的种类及其主要组织特征及力学性能如表1所示。

表1 LDED制备的不同MGC材料的组织及性能

MGC-LDED技术在熔化高熔点材料、保持原料纯度、简化制备工艺、成形三维结构、原位合成新材料等方面具有显著的优势，逐步发展成一种重要的MGC材料制备及构件制造方法。然而，由于MGC-LDED过程中的高温度梯度及近快速凝固特征，所制备的样件在微观组织上还存在晶粒粗大、组织不均匀、孔隙缺陷多等不足，在宏观性能上尚未完全达到传统烧结及定向凝固的水平，而且还存在较为严重的各向异性。因此，MGC-LDED技术还需在微观组织调控及力学性能改善方面进一步深入研究。

MGC-LDED过程中的组织性能调控方法

随着MGC-LDED技术在越来越多的材料制备中的可行性得到验证，所制备样件在微观组织及性能方面的缺陷与不足逐渐明确。为进一步使MGC构件满足实际应用的需要，研究人员采用工艺优化、外场辅助、第二相掺杂及后处理等方法开展了MGC样件组织性能调控方面的研究。主要方法如表2所示。

表2 MGC-LDED组织及性能调控方法

MGC-LDED过程中的开裂行为及抑制方法

MGC构件的LDED过程经历高能激光束的周期性循环加热和冷却，存在强约束下移动熔池的快速凝固收缩等效应，成形构件内部产生高温度梯度引起的复杂高应力演变，同时陶瓷材料的高脆性与低抗热震性导致构件制备过程中极易产生裂纹，使沉积过程无法进行甚至构件制备失败。成形过程的开裂问题导致现有LDED制备的MGC构件极限截面尺寸只有20 mm左右，严重制约了该技术优势的充分发挥和工程应用推广。发展有效的应力调控方法，实现LDED过程热应力的主动控制及成形构件的裂纹抑制已成为该技术迫切需要解决的问题。目前，国内外研究学者采用的方法主要包括工艺优化、局部高温辅助、超声振动辅助及材料复合化等方法（如表3）。

表3 MGC开裂抑制方法

未来发展趋势

LDED技术为MGC构件快速低成本制备提供了全新的技术方案，现有研究已充分验证了该方案的技术可行性，并展现出其在材料控制及结构成形方面的显著优势。然而，目前LDED技术制备的MGC材料在微观组织方面还存在诸多缺陷，稳定的宏观性能与传统烧结陶瓷还存在一定差距，而且还存在较为严重的开裂行为。为推动MGC-LDED技术实现最终应用，还需要在以下关键领域进行深入研究。

（1）陶瓷熔化凝固行为、微观组织形成机理及调控方法。

（2）成形样件开裂机理及抑制方法。

（3）适合MGC-LDED技术的专用材料开发及成形材料种类的突破。

（4）后续热处理及加工工艺。

（5）宏观力学性能及高温性能数据完善与积累。

原文出处：

牛方勇, 于学鑫, 赵紫渊, 等. 熔体自生陶瓷激光直接能量沉积增材制造研究进展[J]. 材料工程, 2022, 50(7): 1-17.

NIU F Y, YU X X, ZHAO Z Y, et al. Research progress in additive manufacturing of melt growth ceramics by laser directed energy deposition[J]. Journal of Materials Engineering, 2022, 50(7): 1-17.

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