大连理工大学：激光定向能量沉积法直接增材制备Al2O3–TiCp功能梯度陶瓷

来源：AM home 增材制造之家

导读：本研究主要聚焦于激光定向能量沉积材制备Al2O3–TiCp功能梯度陶瓷，发表在《美国陶瓷协会》，论文讲的非常不错，值得相关同行学习。

功能梯度陶瓷（FGCs）结合了各种复合陶瓷的性能，已广泛应用于航空航天、武器装备等行业。激光定向能量沉积（LDED）是最新的熔融生长陶瓷增材制造技术之一，可通过控制粉末输送的比例来创建梯度材料。陶瓷-陶瓷型梯度材料是研究较少的主题，目前研究的大多数LDED梯度材料体系是金属-金属型和金属-陶瓷型梯度材料。本文使用LDED制造TiCp增强Al2O3具有三种不同过渡路径的FGC。结果表明，梯度样品的纵向截面明显表现出梯度分布的特征。此外，随着TiCp比例的增加，样品中TiCp颗粒的比例也相应增加。Al2O3的微观结构从柱状晶体转变为不规则形状。在梯度试样的力学性能方面，TiCp含量为30 wt.%的面积具有显著的耐磨性，与Al2O3相比提高了48.13%。此外，该区域的硬度提高了 12.62%，断裂韧性提高了 9.48%。

为了满足不同工业应用的需求，研究人员一直在通过成分添加或工艺创新来改变纯金属、合金、陶瓷和聚合物等传统材料的性能。不过，由于优化而产生的大多数新材料都是同质的。随着工业和军事应用需求的扩大，选择单一材料的局限性越来越明显。具有挑战性的服务设置和工作条件对同一组件的不同部件提出了不同的性能要求。功能梯度陶瓷（FGCs）是一类以功能和性能为导向的先进材料，它打破了材料性能之间的初始耦合，使其中一种或多种性能能够分别得到改善，并促进关键部件在部件的各个部位具有各种功能和性能，目前已显示出强大的发展潜力。FGCs的组成和结构在沉积方向上逐渐变化，具有区域可控的性质。例如，航空航天发动机燃烧室的一侧暴露在高温气体中，需要耐高温和耐腐蚀，而另一侧暴露在低温冷却液中，必须具有较高的比强度。在军事中，梯度材料的硬化面板可以粉碎或钝化弹丸，而延展性背衬可以变形以吸收弹丸和面板碎片的残余动能，从而有效地抵抗弹丸穿透。作为一种梯度材料，FGC能够结合各种陶瓷材料的独特性能，包括耐高温、耐磨和与生物体的相容性。FGC在航空航天、机械制造、武器装备和生物医学等不同领域的应用潜力巨大。

目前，大多数FGCs仍然主要使用热压烧结来制造和烧结，挤出成型，粉末冶金，12和等离子喷涂。然而，传统方法在FGCs的实际制备中存在一定的局限性。例如，在烧结过程中，具有不同热膨胀系数的材料的体积收缩会发生变化，从而导致变形。粉末冶金和喷涂技术受到零件几何形状和面积大小的限制，这些限制不利于FGCs的发展。 激光定向能量沉积（LDED）是一种高柔性陶瓷基复合材料制备技术，它基于逐层堆叠和制造的增材制造概念。它利用高能激光束作为热源，熔化同轴输送的颗粒材料，通过逐层构建来制备三维物质。与传统方法相比，LDED可实现熔融生长陶瓷的一步制备，无需后续烧结过程，实现了制造和烧结一体化，大大缩短了陶瓷材料的制备周期，避免了烧结过程中的收缩和变形。此外，LDED具有高度的工艺灵活性，理论上能够实现任何复杂形状零件的制备。由于其致密的内部微观结构和颗粒细化，具有高熔融冷却速率（103–105K/s）具有突出的性能。LDED现在被广泛应用和研究用于熔融生长陶瓷的制造。集成不同的材料是可行的，大大增强了材料设计的灵活性。这种方法不受组件尺寸的限制，因此特别适用于制造复合材料和功能性梯度材料。Al2O3陶瓷具有出色的硬度和耐磨性，以及卓越的机械质量和高温下的化学稳定性。此外，它们易于获取且价格低廉。由于其作为工程材料的重要性，它被广泛应用于国家安全、科学研究和经济等多个领域。此外，Al2O3陶瓷具有独特的热、电、光学和生物相容性特性，在当代电子信息、生物医学、环境和空间技术中不可或缺。Al2O3陶瓷自成立以来，在LDED领域发挥着至关重要的作用。

Al2O3固有的脆性陶瓷，以及LDED过程中经历的显着温差，使制造的Al2O3陶瓷非常容易开裂。通过添加第二相硬质颗粒来改善性能是传统陶瓷制备中常用的方法。我们的团队发现，将一定比例的TiCp扩散到Al2O3基体中能够进一步提高Al2O3陶瓷的硬度和提高陶瓷的断裂韧性，从而增强纯Al2O3陶瓷的切削性能工具作为结构陶瓷的有效增韧方法。35、36 未来，TiCp增强的Al2O3FGC 有望用于切削工具、轻型装甲保护材料和其他应用。TiCp的存在对TiCp增强Al2O3FGCs的特性有影响，能够调节特定区域的材料特性。与均质复合陶瓷材料相比，它们更适合在极端和专门的服务环境中使用。本文提出制备TiCp增强Al2O3通过LDED分析具有不同过渡路径的FGC，并从显微组织、显微硬度和耐磨性方面评估其性能。


实验由图1所示的LDED系统进行，该系统由JK1002 Nd：YAG连续激光器、DPSF-2D双缸送粉机、数控机床、冷却系统和工控机组成。使用波长为1064 nm，平均功率为1000 W的激光器作为能量源。使用高纯氩气（99.99%）作为载体和保护气体，将粉末以多个同时路径输送到熔池，并提供氩气气氛。

用于实验的原材料是Al2O3和图 2 所示的 TiCp 粉末，其中 Al2O3粉体（雅安华百高性能材料有限公司，纯度>99%）为球形，TiCp粉体（北京星荣源科技股份有限公司，纯度>99%）呈不规则形状，均采用机械粉碎制得（表1）。在振动筛中筛分45-90 μm的粉末颗粒，以确保实验过程中的流动性。为了避免粉末材料在输送和沉积过程中结块，两种粉末尺寸都控制在45-90μm范围内，并事先在干燥箱中在120°C下干燥4小时以上。Al2O3将TiCp粉体分别干燥装入送粉装置中，并在送料过程中对装置施加振动，以保证流动性和分散性的稳定性。

Results(激光-烟雾和激光-飞溅相互作用)

加工位置的影响样品的宏观形貌如图5所示。Al2O3区域呈灰色，具有独特的层间键合特征，这是由于LDED在逐层策略中逐渐沉积而产生的。添加TiCp后，2AT样品的颜色会直接变为白色，而3AT和4AT样品会变成灰黄色，最后在AT30区域变成白色。表面灰黄色和白色颜色变化的主要原因是TiCp在高温好氧条件下极易氧化，导致TiO的形成2梁。当TiCp含量增加时，样品表层的TiCp在高温整形环境下暴露在空气中时更容易被氧化，导致TiCp含量较多的过渡层呈现白色。在相同的工艺参数下，样品的尺寸高约25 mm，样品的直径约为5 mm，尺寸无明显变化。2AT样本在分割处有明确的边界，而3AT和4AT样本的过渡更平缓，没有明确的边界。样品的顶部没有被氧化，因为激光器最后一个区域的氩气保持时间较长，所以颜色是TiCp的原始黑色。

图6A-C显示了Al2O3的纵截面颗粒分布–具有不同TiCp含量的TiCp络相陶瓷材料。白色未熔融的TiCp分散在整个黑色连续基质相中。随着TiCp含量的增加，TiCp在基体中面积的百分比显著增加。各部分的TiCp含量与材料复合部分的设计基本一致。

晶体形貌图7A-D描绘了样品沿沉积方向的纵向截面的微观结构。AT10样品沿晶界表现出一些微观缺陷，微小的白色颗粒相间歇性分布，沿沉积方向的柱状晶体构成初级晶相。使用线性截距方法计算了三个复合区域的晶粒尺寸，AT10为25 μm，AT20为22 μm，AT30为20 μm。在梯度区向AT30区过渡的过程中，TiCp的存在逐渐增强了柱状晶体边界处的不规则性。许多未熔融的TiCp颗粒变得可见，晶体之间出现连续的白色物质相。在图7C，D中更突出地观察到沿柱状晶体晶界的白相的存在，从零星分布逐渐过渡到连续分布。当TiCp浓度达到约30 wt.%时，晶间白色物质相形成连接。此时，边界的起伏变得明显。4AT样本具有更平滑的过渡。图 7B–D 表明，当未熔融的 TiCp 颗粒数量增加时，Al2O3的晶界矩阵显示不规则。与 2AT 和 3AT 类似，Al 的柱状晶体2O3在存在 TiCp 颗粒的情况下显示等轴化。

显微硬度和断裂韧性  具有不同过渡路径的梯度材料的显微硬度和断裂韧性分布如图12和图13所示。与 Al 2O3（390 GPa）相比TiCp（462 GPa）具有更高的弹性模量和更强的抗外界压力变形的能力。因此，随着TiCp含量的增加，具有不同转变路径的样品的显微硬度呈一致的上升趋势。三组梯度转变样品的显微硬度值分布在大致相同的 1700–2000 HV 范围内。在此范围内，它们各自趋势的差异并不显著。AT30样品梯度区域的显微硬度值保持在稳定水平（1900 HV），4AT实现了材料性能的平滑过渡。各组梯度材料的断裂韧性也呈逐渐增加的变化趋势，在AT30（约5.5 MPa m1/2）处达到最大值).

耐磨性 大多数陶瓷材料不能塑性变形，无加工硬化现象，摩擦磨损过程中主要发生脆性变形。4AT梯度样品不同区域的磨损深度如图14所示。随着TiCp含量沿梯度转变方向的增加，试样的磨损深度逐渐减小，试样的磨损深度从0.775减小到0.402 μm，耐磨性提高了约48.13%。梯度样品的耐磨性得到改善，部分原因是TiCp颗粒（2800 HV）的硬度远高于Al2O3。此外，TiCp颗粒与基体牢固结合，显著提高了样品的耐磨性。另一方面，当TiCp含量较低时，可能会有较大的晶体从整个材料内部拉出。随着TiCp含量的增加，未熔合颗粒的含量增加，样品内部的基体微观结构细化，导致样品的耐磨性增加。

本文采用TiCp增强Al2O3使用LDED制备了具有3种不同过渡路径的梯度陶瓷样品。讨论了梯度陶瓷样品的微观结构和力学性能，以验证LDED制备梯度陶瓷材料的可行性。结论如下：

(1)梯度样品纵向截面中未熔融的TiCp颗粒沿沉积方向呈现明显的梯度分布，受Ti元素含量增加的影响，外观由深灰色变为黄白色。

(2) Al2O3的微观结构柱状晶体由规则致密柱状晶体转变为不规则形貌，在梯度样品的沉积方向上，未熔合TiCp的比例显著增加。

(3)梯度陶瓷可实现区域可控的材料特性。通过增加沉积方向的TiCp含量，AZ30区的耐磨性比AT0区提高了48.13%，硬度提高了12.62%，断裂韧性提高了9.48%。

【相关论文】
Direct additive manufacturing of Al2O3–TiCp functionally graded ceramics by laser-directed energy deposition

【相关链接】
https://doi.org/10.1111/jace.19653