粉末床预热对激光粉末床熔化陶瓷基复合材料裂纹形成的影响

供稿人：陈衍龙 连芩 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室

陶瓷基复合材料（CMC）具有高硬度、耐磨性和抗氧化性，但像金属陶瓷这样的陶瓷复合基材料很难通过增材制造（AM）来制造。现在的CMC已经可以使用激光粉末床熔融（LPBF）工艺或者选择性激光熔融（SLM）工艺制造出来，但最终成形部分普遍存在裂纹和孔隙。

H.S. Maurya团队为了减少LPBF/SLM加工零件的裂纹等工艺缺陷，在粉末床的每一层进行预热和熔化两次激光扫描。H.S. Maurya团队选择TiC粉末和430L-FSS粉末作为实验材料，工艺样本如图1所示。使用SLM技术制备TiC-430 L-FSS基陶瓷，首先，采用激光扫描对粉末层进行低能量密度、高扫描速度的预热扫描过程，然后使用高激光能量密度和低扫描速度的熔融扫描过程。将制备的样品研磨和抛光后进行微观结构和相分析。

图1 不同实验样本的不同工艺参数

不同能量密度的SLM制备TiC-430 L陶瓷的XRD谱图如图2所示，分析结果表明SLM过程没有新的相形成，并且在不同能量密度的预热和熔融过程均未观察到相组成的变化，只在TiC和430 L两相中观察到峰强和峰宽的微小变化。这是由于样品中织构的形成和内部应变的变化引起的。

图2 选择性激光熔融制备的TiC-430 L陶瓷随能量密度变化的X射线衍射图

图3为高激光功率单次扫描制备的样品微观结构，裂纹都十分明显，这是由于激光扫描过程导致熔池中产生较大的温度梯度，同时产生较大的残余热应力造成的。图4为不同激光加工参数下SLM处理的TiC-430 L陶瓷的典型组织，可以看出，无论预热和熔融过程的能量密度如何变化，在这些微观结构中都没有观察到微小的裂纹，因为在使用低能量密度扫描对粉末床进行预热时，粉末床温度升高，防止了熔融期间高能量密度激光对熔池的突然加热和冷却，减少制造过程中产生的残余热应力，这会在制造过程中消除裂纹的产生。

图3 高激光功率单次扫描TiC-430 L陶瓷的电子显微镜图像

图4 TiC-430 L陶瓷在不同能量密度预热扫描和熔化扫描的相分布的差异.(a，b)DS1,(c，d)DS2,(e，f)DS3.
由此可见，预热粉末层降低了残余热应力，使制备的陶瓷具有良好的力学性能，在制备无裂纹陶瓷中起着重要作用。

参考文献：
Maurya H.S.,Kosiba K.,Juhani K.,Sergejev F.,Prashanth K.G.. Effect of powder bed preheating on the crack formation and microstructure in ceramic matrix composites fabricated by laser powder-bed fusion process[J]. Additive Manufacturing,2022,58.