第一作者：姜浩；通訊作者：蘇海軍
通訊單位：西北工業大學凝固技術國家重點實驗室；西北工業大學深圳研究院
https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.103984
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西北工業大學蘇海軍教授團隊透過考察不同形狀Al2O3陶瓷試樣成形質量和力學效能的差異，對比分析了等離子球化粉末和非規則粉末作為鐳射定向能量沉積技術原材料的適用性。結果表明，非規則粉末製備的Al2O3陶瓷的顯微硬度和斷裂韌性更高，分別達到17.77±0.97 GPa和4.58±0.50 MPa·m1/2；等離子球化Al2O3粉末製備的棒狀試樣幾乎全緻密，沒有孔隙和微裂紋，彎曲強度達到276.6±22.9 MPa。另外，透過降低鐳射線能量密度和在特定幾何位置針對性補充鐳射能量輸入兩項措施有效優化了鐳射增材製造成形工藝，成功製備出現有報道中最大寬度（30mm）的無裂紋薄壁Al2O3陶瓷，相對密度達99%。
2研究背景
超高溫氧化物陶瓷具有優異的高溫強度、高溫結構穩定性、抗氧化和耐腐蝕效能，有望成為極端高溫氧化環境下長期服役的新型高溫結構材料，在航空航天領域具有廣闊的應用前景。鐳射定向能量沉積技術具有高效快速、柔性製造、近淨成形等特點，近些年來逐漸應用於超高溫氧化物陶瓷的製備併成為該領域的研究熱點。
基於同軸送粉的鐳射定向能量沉積技術受粉末原料流動性和可成形性的影響顯著。粉末原料直接決定成形過程的穩定性和可重複性，同時影響陶瓷樣品的力學效能。目前噴霧造粒技術製備的陶瓷粉末原料使用較為廣泛，然而該技術無法避免粉末顆粒內部夾雜氣體，難以實現造粒粉末的高結合強度，導致試樣內部氣孔缺陷多，力學效能較低，易出現宏觀裂紋。
此外，在鐳射定向能量沉積成形過程中，鐳射束的反覆掃描使已成形樣件經受持續迴圈的加熱和冷卻，高溫熔池的快速移動形成了極高的溫度梯度和極快的冷卻速率，導致樣件內部存在複雜的溫度場和應力場。層層堆積過程伴隨著熱量累積和應力疊加，形成較大的殘餘應力，導致具有本徵高脆性的氧化物陶瓷極易萌生裂紋，使樣件成形質量不高甚至製備過程無法繼續進行。
上述問題致使大尺寸氧化陶瓷樣件的製備非常困難，尤其是寬度較大的樣件，已有文獻報道中壁狀試樣最大寬度僅有15mm。大尺寸樣件成形難題嚴重製約了氧化物陶瓷的工程化應用。因此亟需探索新型實心陶瓷粉末原料及其對鐳射3D列印成形的影響，針對性最佳化大尺寸陶瓷樣件的成形工藝，透過對原料和成形工藝兩大基礎因素的改良以期實現大尺寸氧化物陶瓷的高質量鐳射3D打印製備。
3本文亮點
利用鐳射定向能量沉積技術一步成形制備出目前最大寬度的壁狀陶瓷，證明了採用等離子球化粉末為原料進行鐳射定向能量沉積製備大尺寸複雜陶瓷構件的可行性和巨大發展潛力，對於推進氧化物陶瓷構件增材製造的工程化應用具有重要意義。
4圖文解析
實驗所用等離子球化Al2O3粉末和非規則Al2O3粉末兩種實心粉末都具有良好的流動性，均可滿足鐳射定向能量沉積技術對粉末原料的基本要求。以實心粉末作為原料時，沉積層厚能夠達到0.3mm，遠高於使用噴霧造粒粉末為原料時常用的0.08mm，顯著提高成形效率的同時有效減少了粉末原料的浪費。
圖1 等離子球化Al2O3粉末的微觀形貌(a)和粒徑分佈(c)；非規則Al2O3粉末的微觀形貌(b)和粒徑分佈(d)
使用上述兩種粉末分別製備棒狀Al2O3陶瓷並進行力學效能測試，發現非規則粉末製備的棒狀Al2O3陶瓷（IAR）顯微硬度和斷裂韌性更高，分別達到了17.77±0.97 GPa和4.58±0.50 MPa·m1/2；而等離子球化粉末製備的棒狀Al2O3陶瓷（PSAR）幾乎全緻密，沒有孔隙和微裂紋，陶瓷內部Al2O3柱狀晶粒生長方向高度一致，使其彎曲強度達到276.6±22.9 MPa。
非規則Al2O3粉末粒徑範圍窄、外形不規則的特點容易在Al2O3陶瓷內部形成大尺寸未熔合（LOF）孔，其主要分佈於陶瓷斷口的解理臺階邊緣和穿晶斷裂晶界處。LOF孔容易在陶瓷樣件內部引發微裂紋，並可能改變解理面的擴充套件方向。另外，在非規則粉末製備的棒狀Al2O3陶瓷表面也存在微裂紋，這些凝固缺陷共同作用導致IAR的彎曲強度低於PSAR的彎曲強度。
圖2 兩種陶瓷粉末原料製備的棒狀陶瓷的力學效能：(a) 抗彎強度，(b) 硬度和斷裂韌性
圖3 (a) IAR內部晶界處的LOF孔，(a1)和(a2)是圖(a)中紅色虛線框內區域的區域性放大圖，(b) LOF孔的特寫
圖4 (a-b) PSAR和IAR陶瓷的宏觀斷裂形態，(a1-a3) PSAR陶瓷斷口的SEM影象，(b1-b3) IAR陶瓷斷口的SEM影象
根據鐳射3D列印所得陶瓷的凝固缺陷數量和力學效能綜合評判，等離子球化粉末更適合作為鐳射定向能量沉積技術的粉末原料。因此，使用等離子球化粉末為原料，透過降低鐳射線能量密度和在特定幾何位置針對性補充鐳射能量輸入兩項措施不斷改良鐳射3D打印製備大尺寸壁狀氧化物陶瓷的成形工藝，成功製備出了寬度達30mm、無裂紋Al2O3壁狀陶瓷，相對密度高達99%，寬度方向成形誤差僅為5.7%。寬30mm的Al2O3壁狀陶瓷將鐳射3D打印製備氧化物陶瓷樣件的成形寬度提升至先前成形極限的2倍，並且有望透過繼續深入最佳化成形工藝實現更大尺寸陶瓷樣件的高質量成形。
圖5 以等離子球化Al2O3粉末為原料製備的不同寬度的薄壁試樣：(a) 10 mm (高65 mm)，(b) 15 mm，(c) 20 mm，(d) 30 mm，為目前文獻報道中最大寬度壁狀陶瓷
5結論展望
本文探究了實心粉末顆粒形狀對鐳射定向能沉積Al2O3陶瓷成形工藝和力學效能的影響。研究結果表明等離子體球化陶瓷粉末具有優秀流動性和成形穩定性，能夠作為LDED技術製造大尺寸、高精度陶瓷樣件的原料；同時證實了具有合適粒徑範圍的非規則陶瓷粉末也滿足LDED技術對粉末原料的要求，適合作為增強相少量新增進行陶瓷增韌或用於梯度功能陶瓷的製備。這些結果將為大尺寸氧化物陶瓷材料的高效製備提供理論及技術基礎，從而推動鐳射增材製造氧化物陶瓷構件的工程化應用程序。
6課題組簡介
蘇海軍，西北工業大學材料學院教授、博士生導師。國家級領軍人才，國家優秀青年科學基金獲得者，中國有色金屬創新爭先計劃獲得者，入選國家首批“香江學者”計劃，陝西省“青年科技新星”、陝西高校青年創新團隊學術帶頭人和陝西重點科技創新團隊帶頭人。長期從事先進定向凝固技術與理論及新材料研究研究，涉及高溫合金、高熵合金、超高溫複合陶瓷、結構功能一體化複合材料，以及鐳射增材製造等。主持包括國家自然基金重點、優青等7項國家基金在內的30餘項國家及省部級重要科研專案，在Nano Energy，Advanced Functional Materials，Nano Letters，Composites part B: engineering，Additive manufacturing等著名期刊發表論文160餘篇。獲授權中國發明專利50項以及2項美國發明專利。參編專著3部。獲陝西高校科學技術研究優秀成果特等獎，陝西省科學技術一等獎、二等獎，陝西省冶金科學技術一等獎、全國有色金屬優秀青年科技獎和陝西青年科技獎各1項。
7引用本文
Hao Jiang, Haijun Su*, Minghui Yu, Jiatong Yao, Qian Chen, Zhonglin Shen, Xiang Li, Dong Dong, Min Guo, Zhuo Zhang, Insights into the influence of powder particle shape on forming process and mechanical properties of Al2O3 ceramic fabricated by laser directed energy deposition, Addit. Manuf. 81 (2024) 103984.
*感謝論文作者團隊的大力支援。
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