激光粉床熔融Al粉制备Al2O3泡沫的微观结构与力学性能调控

| 3DScienceValley · 2023/05/22

以下文章来源于Advanced Powder Materials ，作者APM

基于Al粉的激光粉床熔融（LPBF）结合反应烧结（RB）是制备高性能三维Al2O3泡沫陶瓷的有效方法。然而，微观结构演变不明确阻碍了孔隙特征的调控和综合性能的提高。

来自武汉理工大学、华中科技大学等机构的研究团队通过各种表征方法阐明了LPBF/RB过程中Al2O3泡沫陶瓷的微观结构演变，并通过优化LPBF参数、有机粘结剂（E12环氧树脂）含量、加热速率、烧结时间和珊瑚状Al2O3含量实现了力学性能调控。Al2O3向外生长和Al颗粒的析出引起的膨胀抵消了E12分解和Al2O3烧结导致的收缩，从而获得0.94–3.01%的超低收缩率。孔隙结构包含颗粒堆积孔隙、空心球和微孔结构，使得孔隙率在52.6–73.7%之间可调。原位形成的多尺度结构包括空心球、片状晶粒、晶须、纳米纤维和粘结桥等，使抗弯强度高达6.5–38.3 MPa。

研究结果揭示了高性能泡沫陶瓷的微观结构演变与性能优化之间的关系，对其微观结构设计和实际应用具有潜在的指导意义。相关论文发表在Advanced Powder Materials 期刊。本期谷.专栏将分享该研究的研究背景、创新点及启示。

研究背景

泡沫陶瓷以其独特的孔隙结构和优良的本征特性而被广泛研究与应用。以陶瓷粉体和有机粘结剂为原料的激光粉床熔融（LPBF）技术是制备复杂几何形状和可调孔隙特征Al2O3泡沫陶瓷的简单方法。然而，高收缩率、低孔隙率和低强度难以满足实际应用需求。使用Al粉替代Al2O3粉作原料、利用其氧化过程中的Kirkendall效应，是提高综合性能的一种有效策略，称为反应烧结（RB）。然而，基于Al微米粉的LPBF/RB工艺的微观结构演变机制尚不清楚，不利于深入理解微观结构设计和性能提升机制。此外，影响Al粉氧化行为的因素较多，现有的研究结论并不适用于LPBF/RB工艺。本文以Al粉为原料，采用LPBF/RB法制备了低收缩率、高孔隙率、高抗弯强度的Al2O3泡沫陶瓷。从微观到纳米的多个尺度阐明了LPBF/RB过程中的微观结构演变，系统研究了原料组成和工艺参数Al2O3含量对泡沫陶瓷综合性能的影响。

创新点

(1) 揭示了LPBF/RB过程中、微纳尺度下的微观结构演变机制

在LPBF坯体试样的RB过程中，经历了Al（< 1600 °C）→无定形Al2O3（< 600 °C）→γ-Al2O3（600–900 °C）→δ/θ-Al2O3（900–1200 °C）→α-Al2O3（900–1600 °C）的物相转变过程，并伴随着不同尺度大空心球（600–1600 °C）、大空心球/片状晶粒（600–1200 °C）、小空心球（1000–1600 °C）、小空心球/晶须（1000–1300 °C）、纳米纤维（1000–1600 °C）和粘结桥等微观结构的产生。烧结试样的收缩主要来自E12分解（< 600 °C），其次是Al2O3烧结（1500–1600 °C）；膨胀源于Al2O3向外生长（500–1600 °C）和Al颗粒析出引起的内应力（775–925 °C）。

图1. Al粉的(a) SEM图、(b) XRD图和(c)粒度分布。(d) Al粉在升温速率为2 °C·min–1时的TG–DTA结果。(e, f)不同温度下热处理坯体试样的XRD图。

图2.不同温度下热处理坯体试样的断口SEM图和EDS点描结果（Al/O原子比）：(a1, a2, a3) 600°C，(b1, b2, b3) 1100°C，(c1, c2, c3) 1300°C，(d1, d2, d3) 1400°C。

图3. 600°C热处理Al粉的(a1) TEM图，(a2) EDS线扫元素分布，(a3) EDS面扫元素分布。1000°C热处理的Al粉表面片状过渡相Al2O3的 (b1) TEM图，(b2) 高分辨TEM图，(b3) (b2)中A区的原子排列。

(2) 协同优化收缩率、孔隙率和力学强度

系统研究了原料组成和工艺参数对收缩率、孔隙率和力学强度的影响。LPBF参数通过改变坯体试样中Al粉间距以实现性能调控。控制E12含量可以减少其分解导致的收缩。改变升温速率可调整Al颗粒的析出量，从而调控结构与性能。在适当的烧结时间下，可通过增强空心球与粘结桥间结合力从而提高强度。适当添加珊瑚状Al2O3，增加了Al颗粒析出、并引入微孔结构，从而进一步减少收缩率、增加孔隙率。制得的Al2O3泡沫陶瓷有着超低收缩率0.94–3.01%、可调孔隙率52.6–73.7%和高抗弯强度6.5–38.3 MPa。

图4. 不同(a)加热速率、(b)烧结时间和(c)珊瑚状Al2O3含量下烧结样品的收缩率、孔隙率和抗弯强度

(3) 建立微观结构演变与性能调控之间的联系

与其他方法相比，本文的LPBF/RB路线实现了收缩率、孔隙率和力学强度的协同优化；并将各尺度结构的演变机制与其对性能调控机理紧密联系起来。

图5. (a)不同工艺制备Al2O3泡沫陶瓷的抗弯强度和孔隙率的对比图。(b)第二组LPBF参数、E12含量为25 vol%、升温速率为2°C·min-1、未添加珊瑚状Al2O3时，具有面心立方结构的坯体试样和烧结试样照片。(c)微观结构演变与性能调控的关系示意图。

启示

该工作探究了LPBF/RB工艺中各微纳结构的演变和形成机制，优化原料组成和工艺参数以实现综合性能的显著提升；从而，建立了微观结构演变和性能调控之间的关系。论文为制备高性能泡沫陶瓷提供了新思路，为基于实际应用的微观结构设计提供了理论指导。

论文原文信息：

Ye Dong, Annan Chen, Ting Yang, Shuai Gao, Shuning Liu, Bingjian Guo, Hongyi Jiang, Yusheng Shi, Chunze Yan. Microstructure evolution and mechanical properties of Al2O3 foams via laser powder bed fusion from Al particles. Adv. Powder Mater. 2（2023）100135. https://doi.org/10.1016/j.apmate.2023.100135激光粉床熔融Al粉制备Al2O3泡沫的微观结构与力学性能调控