大連理工大學(xué)：激光定向能量沉積法直接增材制備Al2O3–TiCp功能梯度陶瓷

來源：AM home 增材制造之家

導(dǎo)讀：本研究主要聚焦于激光定向能量沉積材制備Al2O3–TiCp功能梯度陶瓷，發(fā)表在《美國陶瓷協(xié)會》,，論文講的非常不錯,，值得相關(guān)同行學(xué)習(xí),。

功能梯度陶瓷（FGCs）結(jié)合了各種復(fù)合陶瓷的性能,，已廣泛應(yīng)用于航空航天,、武器裝備等行業(yè),。激光定向能量沉積（LDED）是最新的熔融生長陶瓷增材制造技術(shù)之一，可通過控制粉末輸送的比例來創(chuàng)建梯度材料,。陶瓷-陶瓷型梯度材料是研究較少的主題,，目前研究的大多數(shù)LDED梯度材料體系是金屬-金屬型和金屬-陶瓷型梯度材料。本文使用LDED制造TiCp增強Al2O3具有三種不同過渡路徑的FGC,。結(jié)果表明,，梯度樣品的縱向截面明顯表現(xiàn)出梯度分布的特征。此外,，隨著TiCp比例的增加,，樣品中TiCp顆粒的比例也相應(yīng)增加。Al2O3的微觀結(jié)構(gòu)從柱狀晶體轉(zhuǎn)變?yōu)椴灰?guī)則形狀,。在梯度試樣的力學(xué)性能方面,，TiCp含量為30 wt.%的面積具有顯著的耐磨性，與Al2O3相比提高了48.13%,。此外,，該區(qū)域的硬度提高了 12.62%，斷裂韌性提高了 9.48%,。

為了滿足不同工業(yè)應(yīng)用的需求,，研究人員一直在通過成分添加或工藝創(chuàng)新來改變純金屬、合金,、陶瓷和聚合物等傳統(tǒng)材料的性能,。不過，由于優(yōu)化而產(chǎn)生的大多數(shù)新材料都是同質(zhì)的,。隨著工業(yè)和軍事應(yīng)用需求的擴大,，選擇單一材料的局限性越來越明顯。具有挑戰(zhàn)性的服務(wù)設(shè)置和工作條件對同一組件的不同部件提出了不同的性能要求,。功能梯度陶瓷（FGCs）是一類以功能和性能為導(dǎo)向的先進材料,，它打破了材料性能之間的初始耦合，使其中一種或多種性能能夠分別得到改善,，并促進關(guān)鍵部件在部件的各個部位具有各種功能和性能,，目前已顯示出強大的發(fā)展?jié)摿Α�FGCs的組成和結(jié)構(gòu)在沉積方向上逐漸變化,，具有區(qū)域可控的性質(zhì),。例如，航空航天發(fā)動機燃燒室的一側(cè)暴露在高溫氣體中，需要耐高溫和耐腐蝕,，而另一側(cè)暴露在低溫冷卻液中,，必須具有較高的比強度。在軍事中,，梯度材料的硬化面板可以粉碎或鈍化彈丸,，而延展性背襯可以變形以吸收彈丸和面板碎片的殘余動能，從而有效地抵抗彈丸穿透,。作為一種梯度材料,，F(xiàn)GC能夠結(jié)合各種陶瓷材料的獨特性能，包括耐高溫,、耐磨和與生物體的相容性,。FGC在航空航天、機械制造,、武器裝備和生物醫(yī)學(xué)等不同領(lǐng)域的應(yīng)用潛力巨大,。

目前，大多數(shù)FGCs仍然主要使用熱壓燒結(jié)來制造和燒結(jié),，擠出成型,，粉末冶金，12和等離子噴涂,。然而,，傳統(tǒng)方法在FGCs的實際制備中存在一定的局限性。例如,，在燒結(jié)過程中,，具有不同熱膨脹系數(shù)的材料的體積收縮會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致變形,。粉末冶金和噴涂技術(shù)受到零件幾何形狀和面積大小的限制,，這些限制不利于FGCs的發(fā)展。 激光定向能量沉積（LDED）是一種高柔性陶瓷基復(fù)合材料制備技術(shù),，它基于逐層堆疊和制造的增材制造概念,。它利用高能激光束作為熱源，熔化同軸輸送的顆粒材料,，通過逐層構(gòu)建來制備三維物質(zhì)。與傳統(tǒng)方法相比,，LDED可實現(xiàn)熔融生長陶瓷的一步制備,，無需后續(xù)燒結(jié)過程，實現(xiàn)了制造和燒結(jié)一體化,，大大縮短了陶瓷材料的制備周期,，避免了燒結(jié)過程中的收縮和變形。此外，LDED具有高度的工藝靈活性,，理論上能夠?qū)崿F(xiàn)任何復(fù)雜形狀零件的制備,。由于其致密的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)和顆粒細化，具有高熔融冷卻速率（103–105K/s）具有突出的性能,。LDED現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用和研究用于熔融生長陶瓷的制造,。集成不同的材料是可行的，大大增強了材料設(shè)計的靈活性,。這種方法不受組件尺寸的限制,，因此特別適用于制造復(fù)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,，以及卓越的機械質(zhì)量和高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性,。此外，它們易于獲取且價格低廉,。由于其作為工程材料的重要性,，它被廣泛應(yīng)用于國家安全、科學(xué)研究和經(jīng)濟等多個領(lǐng)域,。此外,，Al2O3陶瓷具有獨特的熱、電,、光學(xué)和生物相容性特性,，在當(dāng)代電子信息、生物醫(yī)學(xué),、環(huán)境和空間技術(shù)中不可或缺,。Al2O3陶瓷自成立以來，在LDED領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,。

Al2O3固有的脆性陶瓷,，以及LDED過程中經(jīng)歷的顯著溫差，使制造的Al2O3陶瓷非常容易開裂,。通過添加第二相硬質(zhì)顆粒來改善性能是傳統(tǒng)陶瓷制備中常用的方法,。我們的團隊發(fā)現(xiàn)，將一定比例的TiCp擴散到Al2O3基體中能夠進一步提高Al2O3陶瓷的硬度和提高陶瓷的斷裂韌性,，從而增強純Al2O3陶瓷的切削性能工具作為結(jié)構(gòu)陶瓷的有效增韌方法,。35、36 未來,，TiCp增強的Al2O3FGC 有望用于切削工具,、輕型裝甲保護材料和其他應(yīng)用。TiCp的存在對TiCp增強Al2O3FGCs的特性有影響,，能夠調(diào)節(jié)特定區(qū)域的材料特性,。與均質(zhì)復(fù)合陶瓷材料相比，它們更適合在極端和專門的服務(wù)環(huán)境中使用。本文提出制備TiCp增強Al2O3通過LDED分析具有不同過渡路徑的FGC,，并從顯微組織,、顯微硬度和耐磨性方面評估其性能。


實驗由圖1所示的LDED系統(tǒng)進行,，該系統(tǒng)由JK1002 Nd：YAG連續(xù)激光器,、DPSF-2D雙缸送粉機、數(shù)控機床,、冷卻系統(tǒng)和工控機組成,。使用波長為1064 nm，平均功率為1000 W的激光器作為能量源,。使用高純氬氣（99.99%）作為載體和保護氣體,，將粉末以多個同時路徑輸送到熔池，并提供氬氣氣氛,。

用于實驗的原材料是Al2O3和圖 2 所示的 TiCp 粉末,，其中 Al2O3粉體（雅安華百高性能材料有限公司，純度>99%）為球形,，TiCp粉體（北京星榮源科技股份有限公司,，純度>99%）呈不規(guī)則形狀，均采用機械粉碎制得（表1）,。在振動篩中篩分45-90 μm的粉末顆粒,，以確保實驗過程中的流動性。為了避免粉末材料在輸送和沉積過程中結(jié)塊,，兩種粉末尺寸都控制在45-90μm范圍內(nèi),，并事先在干燥箱中在120°C下干燥4小時以上。Al2O3將TiCp粉體分別干燥裝入送粉裝置中,，并在送料過程中對裝置施加振動,，以保證流動性和分散性的穩(wěn)定性。

Results(激光-煙霧和激光-飛濺相互作用)

加工位置的影響樣品的宏觀形貌如圖5所示,。Al2O3區(qū)域呈灰色,，具有獨特的層間鍵合特征，這是由于LDED在逐層策略中逐漸沉積而產(chǎn)生的,。添加TiCp后,，2AT樣品的顏色會直接變?yōu)榘咨�，�?AT和4AT樣品會變成灰黃色,，最后在AT30區(qū)域變成白色,。表面灰黃色和白色顏色變化的主要原因是TiCp在高溫好氧條件下極易氧化，導(dǎo)致TiO的形成2梁,。當(dāng)TiCp含量增加時，樣品表層的TiCp在高溫整形環(huán)境下暴露在空氣中時更容易被氧化，導(dǎo)致TiCp含量較多的過渡層呈現(xiàn)白色,。在相同的工藝參數(shù)下,，樣品的尺寸高約25 mm，樣品的直徑約為5 mm,，尺寸無明顯變化,。2AT樣本在分割處有明確的邊界，而3AT和4AT樣本的過渡更平緩,，沒有明確的邊界,。樣品的頂部沒有被氧化，因為激光器最后一個區(qū)域的氬氣保持時間較長,，所以顏色是TiCp的原始黑色,。

圖6A-C顯示了Al2O3的縱截面顆粒分布–具有不同TiCp含量的TiCp絡(luò)相陶瓷材料。白色未熔融的TiCp分散在整個黑色連續(xù)基質(zhì)相中,。隨著TiCp含量的增加,，TiCp在基體中面積的百分比顯著增加。各部分的TiCp含量與材料復(fù)合部分的設(shè)計基本一致,。

晶體形貌圖7A-D描繪了樣品沿沉積方向的縱向截面的微觀結(jié)構(gòu),。AT10樣品沿晶界表現(xiàn)出一些微觀缺陷，微小的白色顆粒相間歇性分布,，沿沉積方向的柱狀晶體構(gòu)成初級晶相,。使用線性截距方法計算了三個復(fù)合區(qū)域的晶粒尺寸，AT10為25 μm,，AT20為22 μm,，AT30為20 μm。在梯度區(qū)向AT30區(qū)過渡的過程中,，TiCp的存在逐漸增強了柱狀晶體邊界處的不規(guī)則性,。許多未熔融的TiCp顆粒變得可見，晶體之間出現(xiàn)連續(xù)的白色物質(zhì)相,。在圖7C,，D中更突出地觀察到沿柱狀晶體晶界的白相的存在，從零星分布逐漸過渡到連續(xù)分布,。當(dāng)TiCp濃度達到約30 wt.%時,，晶間白色物質(zhì)相形成連接。此時,，邊界的起伏變得明顯,。4AT樣本具有更平滑的過渡。圖 7B–D 表明,，當(dāng)未熔融的 TiCp 顆粒數(shù)量增加時,，Al2O3的晶界矩陣顯示不規(guī)則,。與 2AT 和 3AT 類似，Al 的柱狀晶體2O3在存在 TiCp 顆粒的情況下顯示等軸化,。

顯微硬度和斷裂韌性  具有不同過渡路徑的梯度材料的顯微硬度和斷裂韌性分布如圖12和圖13所示,。與 Al 2O3（390 GPa）相比TiCp（462 GPa）具有更高的彈性模量和更強的抗外界壓力變形的能力。因此,，隨著TiCp含量的增加,，具有不同轉(zhuǎn)變路徑的樣品的顯微硬度呈一致的上升趨勢。三組梯度轉(zhuǎn)變樣品的顯微硬度值分布在大致相同的 1700–2000 HV 范圍內(nèi),。在此范圍內(nèi),，它們各自趨勢的差異并不顯著。AT30樣品梯度區(qū)域的顯微硬度值保持在穩(wěn)定水平（1900 HV）,，4AT實現(xiàn)了材料性能的平滑過渡,。各組梯度材料的斷裂韌性也呈逐漸增加的變化趨勢，在AT30（約5.5 MPa m1/2）處達到最大值).

耐磨性 大多數(shù)陶瓷材料不能塑性變形,，無加工硬化現(xiàn)象,，摩擦磨損過程中主要發(fā)生脆性變形。4AT梯度樣品不同區(qū)域的磨損深度如圖14所示,。隨著TiCp含量沿梯度轉(zhuǎn)變方向的增加,，試樣的磨損深度逐漸減小，試樣的磨損深度從0.775減小到0.402 μm,，耐磨性提高了約48.13%,。梯度樣品的耐磨性得到改善，部分原因是TiCp顆粒（2800 HV）的硬度遠高于Al2O3,。此外,，TiCp顆粒與基體牢固結(jié)合，顯著提高了樣品的耐磨性,。另一方面,，當(dāng)TiCp含量較低時，可能會有較大的晶體從整個材料內(nèi)部拉出,。隨著TiCp含量的增加,，未熔合顆粒的含量增加，樣品內(nèi)部的基體微觀結(jié)構(gòu)細化,，導(dǎo)致樣品的耐磨性增加,。

本文采用TiCp增強Al2O3使用LDED制備了具有3種不同過渡路徑的梯度陶瓷樣品。討論了梯度陶瓷樣品的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能,，以驗證LDED制備梯度陶瓷材料的可行性,。結(jié)論如下：

(1)梯度樣品縱向截面中未熔融的TiCp顆粒沿沉積方向呈現(xiàn)明顯的梯度分布，受Ti元素含量增加的影響,，外觀由深灰色變?yōu)辄S白色,。

(2) Al2O3的微觀結(jié)構(gòu)柱狀晶體由規(guī)則致密柱狀晶體轉(zhuǎn)變?yōu)椴灰?guī)則形貌,，在梯度樣品的沉積方向上，未熔合TiCp的比例顯著增加,。

(3)梯度陶瓷可實現(xiàn)區(qū)域可控的材料特性,。通過增加沉積方向的TiCp含量，AZ30區(qū)的耐磨性比AT0區(qū)提高了48.13%,，硬度提高了12.62%，斷裂韌性提高了9.48%,。

【相關(guān)論文】
Direct additive manufacturing of Al2O3–TiCp functionally graded ceramics by laser-directed energy deposition

【相關(guān)鏈接】
https://doi.org/10.1111/jace.19653