超声波辅助振动激光增材制造（LENS）ZrO2-Al2O3部件

来源：江苏激光联盟

据悉，采用超声波辅助振动的办法，利用LENS技术来制造陶瓷 部件 (ZrO2-Al2O3)，可以抑制裂纹的萌生和扩展，有利于晶粒的细化和材料弥散的均匀性。同没有采用超声波进行制备的部件相比较，具有更好的机械性能，包括显微硬度，耐磨性和较好的压缩性能。

激光增材制造技术制造陶瓷 部件 (ZrO2-Al2O3) 存在一些问题，这些问题主要是裂纹和不均匀的材料弥散所造成的。为了减少这些问题，研究人员提出一种新颖的超声波振动辅助激光近净成形 (LENS)的工艺来制造块体的 ZrO2-Al2O3陶瓷部件。结果表明裂纹的萌生和裂纹的扩展在LENS的过程中由于超声波的引入而得到抑制。对于没有采用超声波进行制造的陶瓷部件，其裂纹的尺寸随着激光功率的增加而减少。扫描电镜分析结果证明引入超声波之后有利于晶粒的细化和材料弥散的均匀性。由于裂纹的抑制，晶粒细化和材料的弥散的均匀性，采用超声波辅助的LENS部件同没有采用超声波进行制备的部件相比较，具有更好的机械性能，包括显微硬度，耐磨性和较好的压缩性能。

图１. LENS工艺的示意图

背景
由于ZrO2-Al2O3陶瓷具有优异的生物相容性，优异的耐腐蚀性能和耐热性，较高的强度等优点，使得ZrO2-Al2O3陶瓷广泛的应用在生物医学，化学和其他高端的工程产业。传统的制造陶瓷材料的工艺，包括浇注成型和注射成形，以及随后的脱脂和烧结。当制造单个或小批量的产品的时候，浇注成型和注射成形就会被认为是一种浪费材料和成本的一种工艺，这是因为这两种工艺都需要模具来进行制造。此外，在制造复杂形状的部件的时候，采用传统的制造工艺还面临着诸多的问题。面对这些问题的时候，增材制造技术（AM）的发展和广泛的应用可以用来制造陶瓷材料。同减材制造相比较，AM增材制造技术直接从３D模型中进行层层堆积制造。在各种不同的AM技术当中，激光增材制造（LAM）被认为是一种最为最有吸引力的用来制造陶瓷材料的技术。LAM工艺，不需要模具和可以促进复杂形状部件的制造。同SLM技术相比较，LENS呈现出的优势为耗费劳动力少，制造效率高和部件具有再制造能力。

图１所示为LENS的工艺过程的示意图。在一开始的时候，基材选择性的被激光发射出来的热所熔化，形成熔池来捕获和熔化来自粉末输送结机构的粉末。当激光束移开的时候，熔池由于热耗散而开始凝固。沉积头沿着预先设计好的3D图纸的轨迹进行扫描，形成基材上的第一层。此后，沉积头上升一个沉积层的高度以备下一层的沉积。这一层作为新的一层的沉积基材的表面开始熔化和形成第二层。相似的工艺不断重复，直到整个预先设计好的近净成形的部件形成。

图2. 超声波辅助振动在熔化和凝固过程中超声波的作用和影响

早期有研究报道了采用LENS工艺来制造Al2O3为基础的陶瓷材料。通过优化工艺参数，Balla等人成功的利用LENS技术制造出致密和近净成形的Al2O3部件。Ma等人研究了粉末在表面的分布形貌在LENS制造薄壁墙Al2O3结构的影响。结果表明LENS制造部件的显微硬度和粗糙度同采用传统工艺制造部件的结果几乎相当。Wu等人分析了激光功率和沉积头的扫描速度对LENS制造ZrO2-Al2O3薄壁墙结构的影响。在LENS的快速凝固工艺过程中，由于巨大的热温度梯度造成的裂纹也比较容易在脆性的陶瓷材料中形成。裂纹的存在导致部件的机械性能变差和降低了部件的服役寿命。此外，ZrO2和Al2O3的局部均匀性也不能得到保证。

图3. 超声波辅助振动进行LENS的实验装置示意图

为了抑制裂纹的形成和保证材料沉积的均匀性，在这一研究中，第一次，提出一种新颖的超声波辅助振动的办法进行LENS工艺来制造块体的ZrO2-Al2O3部件.图2 给出的是超声波振动在辅助熔化和凝固过程中所产生的作用和影响。伴随着周期性的正负压力，两个非线性的超声波的作用就会产生，包括声波的空化和声流。声流是一种在液体材料中吸收的的声波的振荡所形成的稳态的流动。瞬时的空化包括液体材料中的微小尺寸气泡的形成，生长和脉动以及崩溃。这一两个非线性的作用促进了液体材料中的运动，导致直接和最终的影响。这些影响对材料弥散的均匀性，光滑热温度梯度和热应力梯度，减少裂纹和细化晶粒具有十分重要的作用。

图4. 超声波振动在不同激光功率的作用下对裂纹抑制的影响

图5. 在采用和不采用超声波振动的时候，制造的部件的横截面采用EDXS面分布进行分析的结果

图6. 超声波辅助振动对采用LENS制造部件的压缩性能的影响（UV:超声波振动）

主要结论
在这一研究中，一个新颖的超声波辅助振动的LENS工艺来制造块体的 ZrO2-Al2O3陶瓷材料。其目标是研究LENS工艺过程中超声波辅助对制造部件的裂纹抑制，显微组织和机械性能的影响。主要结论如下：

(1)在LENS工艺中引入超声波辅助振动所产生的非线性的声流和瞬时的空化作用对材料弥散的均匀性，光滑热温度梯度，减少裂纹，细化晶粒和提高机械性能有极大的帮助。

(2)采用超声波辅助振动的办法利用LENS工艺制造的陶瓷部件，其裂纹的萌生和裂纹的扩展在沉积方向得到抑制。这一现象的发生得益于超声波所造成的热应力的减少和晶粒的细化。对于没有采用超声波辅助振动的部件，其裂纹的扩展速率可以通过增加激光功率的办法进行抑制。

(3)在超声波辅助振动进行LENS制造时，ZrO2的聚集和在Al2O3晶粒边界的连接，形成网络状的显微结构。这一网络接结构对通过裂纹桥接来硬化工件，裂纹的反射和裂纹的分支是有益的。在没有采用超声波振动的LENS工艺中，ZrO2和 Al2O3 的局部质量比可以高于整体的质量比，其共晶凝固可以发生在共晶显微组织的生成处。同没有采用超声波辅助制造的部件相比较，采用超声波辅助的LENS部件呈现出细小的晶粒和更好的材料弥散。

(4)超声波振动对部件的机械性能，包括显微硬度，耐磨性，压缩性能均进行了分析。结果表明超声波辅助振动的LENS制造的部件具有较高的辖内硬度，较高的耐磨性和更好的压缩性能。在压缩测试过程中，超声波辅助振动的LENS部件的断裂的界面主要呈现出沿晶界的断裂，然而，沿晶界的断裂和传晶雷文均会发生在超声波辅助振动的LENS部件当中。

文章来源：Ultrasonic vibration-assisted laser engineering net shaping of ZrO2-Al2O3 bulk parts: Effects on crack suppression, microstructure, and mechanical properties.Ceramics International,Volume 44, Issue 3, 15 February 2018, Pages 2752-2760,https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2017.11.013