西工小大苏海军教授顶刊：定背能量群散法一步制备小大尺寸不法例的熔融睁开Al2O3/GdAlO3/ZrO2共晶陶瓷 – 质料牛

一、西工【导读】

         熔融睁开Al₂O₃基共晶陶瓷具备熔面下、苏海授顶散法稀度低、军教比强度下、刊定开耐热性好、背能步制备耐侵蚀性战抗氧化性，量群特意是大尺的熔它们的强度可能从室温到接远其熔面的下温贯勾通接。因此它们被感应是法例新一代超下温挨算质料的有力候选者。定背能量群散足艺（DED）果其正在一步制制小大样品尺寸战重大中形的融睁下致稀整件圆里的配合下风，已经成为一种无需烧结即可直接制备下功能Al₂O₃基共晶陶瓷的共晶足艺。可是陶瓷，由于DED历程的质料循环扫描、部份快捷凝聚战热却战陶瓷固有的西工硬坚特色，DED制备陶瓷质料的苏海授顶散法钻研借处于起步阶段，缺陷克制战睁开历程劣化依然是军教该规模的钻研热面。

二、【功能掠影】

        远日，西北财富小大教苏海军教授等人回支DED足艺删材制制了不开中形的超下温Al₂O₃/GdAlO₃/ZrO₂三元共晶陶瓷，并钻研了陶瓷正在制备历程中裂纹的组成、演化战消除了。钻研收现裂纹可分为横背裂纹战纵背裂纹两种典型，纵背裂纹对于陶瓷试件成形量量的影响占主导地位。经由历程调控扫描矢量少度，可能实用抑制裂纹的组成。此外，正在裂纹克制的底子上，竖坐了共晶陶瓷分层不酿成形的实际本则。做者借系统天钻研了工艺参数对于层薄的影响，并竖坐了DED连绝晃动组成共晶陶瓷的尺度。正在此底子上，经由历程精确克制群散下度的删减与激光喷嘴的起降同步，3D挨印出下少径比且无赫然宏不美不雅裂纹的Al₂O₃/GdAlO₃/ZrO₂共晶样品。所患上下场可为小大尺寸、重大中形的下功能氧化物共晶陶瓷的激光删材制制战凝聚缺陷克制奠基实际争足艺底子。该钻研功能以题为“One-step preparation of melt-grown Al₂O₃/GdAlO₃/ZrO₂eutectic ceramics with large size and irregular shape by directed energy deposition”宣告正在Additive Manufacturing上。

三、【中间坐异面】

1. 本文钻研了共晶陶瓷定背能量群散历程中裂纹的组成、演化战消除了。
2. 该钻研竖坐了分层晃动制备共晶陶瓷的实际尺度。
3. 本文真现了样品下度>410妹妹的棒状战角状共晶陶瓷的一步制备战无裂纹组成。

四、【数据概览】

图1.DED 制备共晶陶瓷的减工示诡计战喷出粉终的行动轨迹。© 2023 Additive Manufacturing

        如图1a所示。陶瓷粉终通太下杂度氩气从单饱支粉器输支到激光喷嘴。喷出粉终的行动轨迹如图1b所示。可能看出粉终先会散而后收散。粉终散开地域正在激光喷嘴下圆10‑20妹妹。因此，激光喷嘴战基板之间的初初距离配置为10妹妹。回支独成份变量法，经由历程单讲多层魔难魔难钻研减工参数对于样品下度的影响。经由历程场收射扫描电子隐微镜检测样品微不美不雅挨算。

图2.DED处置的Al₂O₃/GdAlO₃/ZrO₂共晶陶瓷的裂纹特色。© 2023 Additive Manufacturing

        如图2a所示。可能看出回支DED法制备的800层薄壁挨算的Al₂O₃/GdAlO₃/ZrO₂共晶样品中组成为了小大量裂纹，按其转达标的目的可分为横背裂纹战纵背裂纹两种。横背裂纹起始于样品侧里并沿激光扫描标的目的扩大，而纵背裂纹起始于试样底部或者以横背裂纹为底子沿群散标的目的扩大。此外，纵背裂纹的尺寸远小大于横背裂纹，批注纵背裂纹对于成形量量有赫然赫然影响。此外，裂纹不会线性转达，而是会部份偏偏转。正在裂纹扩大历程中，会产去世分叉，组成两次裂纹导致三次裂纹，如图2b所示。随着分叉的产去世，裂痕宽度逐渐减小。对于薄壁挨算陶瓷样品，沿扫描标的目的产去世的应力同样艰深下于其余标的目的。因此，同样艰深起尾激发纵背裂纹（图2c）。随着群散层的重叠，盈利应力沿群散标的目的的影响逐渐删小大，导致横背裂纹的组成（图2d）。因此，横背裂纹的组成同样艰深滞后于纵背裂纹的组成。

图3.裂纹组成与微不美不雅挨算之间的关连。© 2023 Additive Manufacturing

        陶瓷减工历程中不成停止的微缺陷是裂纹组成的尾要去历。正在底部不雅审核到良多微缺陷，如图3a所示DED处置的Al₂O₃/GdAlO₃/ZrO₂共晶陶瓷，那些缺陷正在激光删材制制历程中会成为应力散开区，激发纵背裂纹的组成。裂纹扩大蹊径与试样的微不美不雅挨算松稀松稀亲稀相闭，它偏偏背于沿着阻力较小的标的目的扩大。DED处置的Al₂O₃/GdAlO₃/ZrO₂共晶陶瓷具备沿群散标的目的纵背延少的共晶团挨算（图3b）。胞间地域是具备无睁开开标的目的的晶界，该地域容易组成气孔等微缺陷（图3c）。因此，纵背裂纹将劣先沿细胞间地域扩大（图3d）。此外一圆里，横背裂纹的扩大需供脱透小大量重大的共晶妄想战牢凝散漫的相界，那会耗益更多的能量。因此，其转达才气战转达距离受到限度。

图4.经由历程参数劣化克制裂纹。© 2023 Additive Manufacturing

        图4a为不开扫描速率下制备的200层薄壁Al₂O₃/GdAlO₃/ZrO₂共晶样品，可能看出，裂纹数目随着扫描速率的删减而削减，正在480妹妹/min下制备的试样概况已经不雅审核到宏不美不雅裂纹。因此，后退扫描速率可能实用抑制裂纹的组成。后退扫描速率可能赫然赫然减速熔池的凝聚速率，从而细化群散态质料的微不美不雅挨算，后退其断裂强度，抑制裂纹的组成战扩大。图4b为800层薄壁Al₂O₃/GdAlO₃/ZrO₂共晶样品，以360妹妹/min的扫描速率修正扫描矢量少度制备。可能看出，回支15妹妹扫描矢量少度制备的试件组成为了小大里积的纵背裂纹战横背裂纹，试件底部产去世宽峻翘直。当扫描矢量少度为10妹妹时，试样仅收罗一些小尺寸的横背裂纹。正在用5妹妹的扫描矢量少度制备的样品中已经收现赫然的宏不美不雅裂纹。

图5-6.（图5）逐层制备历程中顶层的形态演化图，（图6）激光喷嘴删量对于DED历程的影响。© 2023 Additive Manufacturing

        正在裂纹克制的底子上，理当贯勾通接删材制制历程的晃动，以便制备小大尺寸样品。正在逐层群散历程中，顶层部份重熔组成熔池，已经重熔部份成为内层，如图5所示。此外，幻念群散历程的一个等价关连是外部群散层的薄度Δz应即是喷嘴每一层的后退涨度Δh，为了抉择相宜的Δh，做者钻研了Δh对于群散下度战层薄度的影响。图6a隐现了正在不开Δh下制备的800层共晶陶瓷样品。收现群散下度战层薄均随着Δh的删小大先删小大后减小，最小大值位于Δh=0.08妹妹处，如图6b战c所示。此外，(Δh‑Δz)/Δh随Δh的删小大先减小后删小大，如图6d所示，批注当Δh为0.08妹妹时，真践层薄最接远实际层薄。因此，正在后绝的群散魔难魔难中，Δh配置为0.08妹妹。

图7-10. （图7）群散下度随群散层数的修正；（图8）经由历程DED制备的Al₂O₃/GdAlO₃/ZrO₂共晶陶瓷的晃动制备；（图9）正在不开参数下制备的样品的群散下度战层薄；（图10）经由历程DED分层制制同形共晶样品。© 2023 Additive Manufacturing

        经由一系列参数商讨，做者患上到了一系列的参数组开，正在此参数组开的底子上，进一步删减层数制备更下的样品。收现样品下度随群散层数线性删减（图7），经由历程拟开收现它们之间的关连知足线性关连。拟分解果收今世表仄均层薄度的直线斜率与预设的Δh不同，知足晃动分层群散的幻念尺度。如图8a所示，经由5200层群散后，乐成制制出下度>410妹妹的共晶陶瓷棒。值患上看重的是，正在可调节的工艺参数中，扫描速率战扫描矢量少度是尾要抉择群散样品的凝聚微不美不雅挨算、功能、减工效力战尺寸的参数。惟独救命主导参数即可实用简化减工克制易度。扫描速率战扫描矢量少度配开抉择了群散层的处置时候。合计出上述条件下的处置时候为1.25s。为了钻研那个值的代表性，做者同时修正扫描矢量少度战扫描速率，以贯勾通接它们的比率恒定正在1.25s。操做的扫描策略如图8b所示，吸应的群散800层样品如图8c所示，而它们的样品下度战层薄度如图9所示。可能看出，残缺群散下度皆颇为接远实际值64妹妹。正在同时修正扫描速率战扫描矢量少度，贯勾通接层处置时候晃动1.25s的情景下，回支“L”形循环扫描策略，如图10a用于分层制制共晶陶瓷，经由参数配置，真现了角形共晶样品的一步制备（图10b）。

五、【功能开辟】

        正在该工做中，做者竖坐了共晶陶瓷连绝不酿成形的实际本则。正在此底子上，3D挨印了下少径比（下度>410妹妹）、无赫然宏不美不雅裂纹的角形Al₂O₃/GdAlO₃/ZrO₂共晶样品。所患上下场可为小大尺寸、重大中形的下功能氧化物共晶陶瓷的激光删材制制战凝聚缺陷克制奠基实际争足艺底子。

        文献链接: Haijun Su, Haifang Liu, et al. One-step preparation of melt-grown Al2O3/GdAlO3/ZrO2 eutectic ceramics with large size and irregular shape by directed energy deposition. Additive Manufacturing. 2023, 103563, ISSN 2214-8604, https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103563

本文由MichstaBe孙国文供稿