广东省科学院毕贵军研究员等联合发表：直接激光增材制造陶瓷研究进展综述

作者：赵大可，毕贵军图片，陈杰，WaiMeng  Quach，冯然，Antti  Salminen，牛方勇

直接激光增材制造，无需模具和粘合剂，不仅有望突破传统制备工艺的局限，更为高性能陶瓷部件的一步制造提供了新的途径。本文深入分析了该类技术的最新进展、面临的问题及改善策略，展望了其在当前工业中的应用前景。随着技术不断发展，直接激光增材制造陶瓷将在更多领域展现其非凡的创造力与应用价值。

文章亮点

• 介绍了一步直接激光增材制造陶瓷的工艺原理和材料体系。
• 综述了直接激光增材制造陶瓷成形质量、微观组织和力学性能及改善策略。
• 展望了直接激光增材制造在高性能陶瓷方面的未来发展趋势和潜在应用。
  

近日，广东省科学院智能制造研究所、大连理工大学、澳门大学、哈尔滨工业大学和芬兰图尔库大学在Int. J. Miner. Metall. Mater. 上联合发表了题为“A critical review of direct laser additive manufacturing ceramics”的综述文章，系统地总结了过去十多年里陶瓷直接激光增材制造方面的一些关键研究工作，并对领域当前面临的挑战、未来研究机会和潜在应用进行了总结和展望。毕贵军研究员领导的“先进激光增材制造技术创新团队”所在的广东省科学院智能制造研究所为本文工作的主要完成单位。



在极端恶劣的环境下，高性能陶瓷部件具有耐高温、耐腐蚀、耐侵蚀、耐磨损等令人兴奋的特性，因而受到各行各业的青睐。用陶瓷替代高温和合金理论上可以减轻关键核心部件的重量，有望提高飞机的灵活性和机动性。此外，陶瓷优异的耐热性还能提高内燃机和涡轮机械的燃烧效率，从而减少碳排放。陶瓷在处理能源领域的问题上也表现出色，例如在核工业中，腐蚀性和高辐射通量非常普遍。这些高价值陶瓷部件包括排气喷嘴、燃烧器内衬、涡轮叶片、叶片、熔盐反应堆、催化转换器和电动汽车轴承。因此，合理利用陶瓷部件有望实现人们期待已久的目标，即提高高端设备的效率、性能和使用寿命。鉴于全世界对低排放的日益重视，这一点尤为重要。

然而，使用传统制造工艺（如成型和烧结）生产陶瓷部件，要达到所需的几何形状和表面光洁，需要经过材料制备、加工、烧结、热处理和精加工等多个步骤，工艺周期长。近年来，增材制造（AM）因其灵活的成形方法，为高性能陶瓷的制备提供了一种极具吸引力的解决方案。直接激光增材制造（DLAM），为一步成型复杂的近净形陶瓷部件提供了可能，根据送粉模式的不同，一般有两种主要变体：选择性激光烧结/熔化（SLS/SLM）和激光定向能量沉积（LDED）。具有许多优势：(i) 单步无模制造近净形陶瓷部件；(ii) 灵活设计结构和材料；(iii) 小批量、高精度生产能力；(iv) 易于满足快速反应和短周期制造要求。在过去二十年里，使用DLAM工艺进行的“陶瓷”课题研究吸引了全世界的关注，发表论文的数量也在不断增加，如图1所示。

质量和性能是陶瓷部件经受各种苛刻条件的先决条件，通常受到逐域和逐层成型特性中DLAM工艺多个参数的影响。这些参数包括激光功率、扫描速度、粉末床密度、粉末进给速率、扫描模式、搭接率和加工环境。陶瓷零件的质量包括缺陷、残余应力、夹杂物、几何精度和表面粗糙度等。加工参数对连续成型零件最小单元的形状和尺寸有很大影响：部分熔化的微流体或完全熔化的熔池。DLAM工艺的热量和质量历程非常复杂，受众多参数的影响，这些参数是获得高质量零件的主要因素。一方面，调节热历史可以均匀和细化微观结构，保证材料性能。另一方面，物质（质量历程）的高效扩散和对流输送，如输送到熔池的粉末和熔池中的微流体，对于制造低缺陷高精度零件至关重要。然而，多种加工参数和极高的温度给高性能陶瓷部件的热量和质量历程控制带来了巨大挑战。

为此，本文在简要概述工艺原理后，综述了陶瓷成形质量、微观组织和力学性能方面的进展，为进一步的学术研究和潜在的工业发展做出了积极贡献。此外，还展望了DLAM技术在高质量陶瓷快速制造方面的未来机遇和潜在应用。

图1   陶瓷激光增材制造研究趋势

图2  直接激光增材制造工艺原理示意图: (a) 选择性激光烧结/熔化（SLS/SLM），(b) 激光定向能量沉积（LDED）

图3  利用SLS/SLM工艺制造的典型陶瓷部件：（a）Al2O3陶瓷 [24]；（b、c）SiC陶瓷 [54]；（d）Al2O3/ZrO2陶瓷 [33]；（e）Al2O3/GdAlO3/ZrO2共晶陶瓷 [57]

图4  利用LDED工艺制造的典型陶瓷部件：（a）Al2O3陶瓷 [37]；（b）Al2O3/ZrO2共晶陶瓷 [42]；（c）Al2O3/ZrO2陶瓷 [53]；（d）Al2O3/Al2TiO5陶瓷 [56]；（e、f）Al2O3/GdAlO3/ZrO2共晶陶瓷 [49]

图5  LDED 加工陶瓷的裂纹特征：（a）Al2O3/ZrO2陶瓷 [53]，（b）具有不同裂纹分叉的Al2O3/GdAlO3/ZrO2共晶陶瓷 [49]，以及（c）不同位置下的莫来石[53]

图6   DLAMed陶瓷孔洞特征：（a）粘结不良 [59]，（b）未融合 [45]，（c）气孔 [45]，以及（d，e）通过微型计算机断层扫描获得的空隙特征（（d）固体质量分布和（e）相应的孔隙率分布） [69]

图7   DLAM制备陶瓷的缺陷抑制方法：（a）预热 [80]；（b）超声波辅助 [45]

图8  利用DLAM工艺制造Al2O3/ZrO2共晶陶瓷的微观结构特征：（a）具有菌落结构的典型微观结构 [42]，（b）具有更细共晶间距的微观结构 [45]，以及（c，d）具有周期性带状结构的微观结构 [88]

图9  利用DLAM工艺制造的ZrO2、SiC和莫来石的微观结构特征：（a，b）直接 SLSed ZrO2（（a）沿构建方向和（b）单柱晶粒特征）[26]，（c，d）直接SLSed SiC（（c）中等能量密度水平和（d）烧结颗粒）[27]，以及（e，f）LDEDed 莫来石（（e）圆柱中部和（f）圆柱体边缘）[61]

图10   DLAM陶瓷的前景与应用

图片介绍： 基于粉末的DLAM工艺在航空航天和能源等行业引起显著反响。这种兴奋源于其在单一步骤中制造致密和复杂形状陶瓷部件的潜力。然而，与金属和聚合物相比，用于陶瓷的DLAM技术发展缓慢。DLAM陶瓷的制造面临着巨大的科学和技术挑战，包括对成形质量、缺陷、微观结构和力学性能进行细致的控制。一个主要障碍是其固有的脆性和低热冲击耐受性，尤其是在几何和机械性能方面，同时还需要承受极高的温度梯度和反复的热循环。为了应对上述挑战，未来可能的发展趋势有:

基于数据和高保真/高效率数值模拟驱动的工艺优化；

新的裂纹萌生/扩展理论和抑制策略；

孔洞形成与控制的新理论和新方法；

显微组织和性能控制的新方法；

适用于DLAM的专用陶瓷粉体开发；

未来可能的应用。应用于特定小型散装部件，如机械制造中的精密切削工具、汽车密封环和制动器、牙科中的髋关节假体、智能工厂中的精密齿轮以及需要后续加工的陶瓷测温传感器。此外，制备高质量陶瓷涂层也是一个有趣的应用途径。例如，使用超高速DLAM制备陶瓷涂层有望通过减少裂纹而显著提高基体表面的耐磨性和耐腐蚀性。

团队及作者介绍
广东省科学院智能制造研究所“先进激光增材制造技术创新团队”聚焦激光加工与增材制造的科学问题与产业需求，开展应用技术研究，兼顾重大技术应用的基础研究。团队的主要研究方向包括：激光加工与增材制造、增材/增减材制造数字化技术、智能建模与仿真、过程监测与控制、增材/增减材制造工艺与材料、超高速激光熔覆关键工艺与系统研发等。

近五年来，团队承担了一系列科研任务，包括国家级项目5项，省部级项目5项，多项市级项目及企业合作项目，总经费达4000余万元；发表SCI收录文章30余篇；获得授权专利20余项。团队现有研究人员9人，其中博士6人。团队与新加坡、德国、芬兰等国家，和香港、澳门地区的高校、研究机构开展了广泛的合作研究。

毕贵军，国家特聘专家，北京市特聘专家，现任广东省科学院激光制造技术首席科学家，拥有20多年激光加工与增材制造的研究经验。近5年主持国家、省、市级科研项目6项。曾作为新加坡科技局激光加工技术学术带头人，主持了包括“大型复杂构件激光增减材复合制造”计划、“复杂海工结构件先进激光辅助增材制造及激光电弧复合焊接技术”等多项新加坡国家级科研项目和重大工业项目，3项成果获得新加坡航空成就奖。累计在国际学术期刊发表SCI论文130余篇，被引5100余次，H指数41（Web of Science）。已获授权国际、新加坡和中国专利10余项。自2022年起连续三年入选美国斯坦福大学发布的全球前2%顶尖科学家榜单，并于2024年入选“终身科学影响力排行榜”。

赵大可，广东省科学院智能制造研究所科研人员、广东省科学院认证有限公司专家库专家。毕业于大连理工大学机械工程学院，在“高性能精密制造创新团队”完成相关工作。目前主要从事高质量陶瓷、轻质合金、高温合金高性能激光增材制造与超高速激光熔覆等的研究工作。主持广东省基础与应用基础研究项目1项，广州市基础与应用基础研究项目1项，广东省科学院高层次人才项目1项，国内某企业技术服务项目1项（51万元），多次参与国家重大人才工程项目、国家自然科学基金项目 (重大、青基)和多项企业技术服务等项目。近年来，在Journal of Advanced Ceramics、Additive Manufacturing、International Journal of Extreme Manufacturing、International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials等期刊上发表论文17余篇，SCI收录15余次，申请发明专利6项。

引用本文：Dake Zhao, Guijun Bi, Jie Chen, WaiMeng Quach, Ran Feng, Antti Salminen, and Fangyong Niu, A critical review of direct laser additive manufacturing ceramics, Int. J. Miner. Metall. Mater., 31(2024). No. 12, pp. 2607-2626

https://doi.org/10.1007/s12613-024-2960-2