激光增材制造超高温氧化物共晶陶瓷研究进展
刘海方, 苏海军, 申仲琳, 姜浩, 赵迪, 刘园, 张军, 刘林, 傅恒志
无机材料学报
2022, 37 ( 3):
255-266.
DOI:10.15541/jim20210608
超高温氧化物共晶陶瓷具有优异的高温强度、高温蠕变性能、高温结构稳定性以及良好的高温抗氧化和抗腐蚀性能, 成为1400 ℃以上高温氧化环境下长期服役的新型候选超高温结构材料之一, 在新一代航空航天高端装备热结构部件中具有重要的应用前景。基于熔体生长技术, 以选择性激光熔化和激光定性能量沉积为代表的激光增材制造技术具有一步快速近净成形大尺寸、复杂形状构件的独特优势, 近年来已发展成为制备高性能氧化物共晶陶瓷最具潜力的前沿技术。本文从工作原理、成形特点、技术分类等方面概述了基于熔体生长的两种典型激光增材制造技术, 综述了激光增材制造技术在超高温氧化物共晶陶瓷制备领域的研究现状和特点优势, 重点介绍了选择性激光熔化和激光定向能量沉积超高温氧化物共晶陶瓷在激光成形工艺、凝固缺陷控制、凝固组织演化、力学性能等方面的研究进展。最后, 指出了实现氧化物共晶陶瓷激光增材制造工程化应用亟需突破的关键瓶颈, 并对该领域未来的重点发展方向进行了展望。
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图3
球形陶瓷粉末制备工艺及其特性[68]
正文中引用本图/表的段落
本团队结合球磨及离心喷雾干燥技术自主开发了适于激光增材制造氧化物共晶陶瓷研究的共晶组分氧化物陶瓷球形粉末制备工艺[67,68,69,70]。首先, 利用行星式球磨机将按共晶配比称量的各组元陶瓷粉末充分混匀。随后, 利用离心喷雾干燥技术对混匀的陶瓷粉末进行形貌改性。离心喷雾干燥技术原理示意图如图3(a)所示, 粉末改性前后的形貌对比如图3(b, c)所示。小尺寸、易团聚的非规则粉末被改性为粒径10~50 μm的近球形粉末, 粒径分布如图3(d)所示。通过采用LDED用送粉装置测试粉末的送给质量, 发现粉末可从喷头处均匀稳定地送出, 满足激光增材制造实验的要求[68]。该粉末制备工艺既保证了各组元陶瓷粉末能按共晶比例充分混合又保证了粉末的流动性。
本团队结合球磨及离心喷雾干燥技术自主开发了适于激光增材制造氧化物共晶陶瓷研究的共晶组分氧化物陶瓷球形粉末制备工艺[ 67, 68, 69, 70].首先, 利用行星式球磨机将按共晶配比称量的各组元陶瓷粉末充分混匀.随后, 利用离心喷雾干燥技术对混匀的陶瓷粉末进行形貌改性.离心喷雾干燥技术原理示意图如 图3(a)所示, 粉末改性前后的形貌对比如 图3(b, c)所示.小尺寸、易团聚的非规则粉末被改性为粒径10~50 μm的近球形粉末, 粒径分布如 图3(d)所示.通过采用LDED用送粉装置测试粉末的送给质量, 发现粉末可从喷头处均匀稳定地送出, 满足激光增材制造实验的要求[ 68].该粉末制备工艺既保证了各组元陶瓷粉末能按共晶比例充分混合又保证了粉末的流动性. ...
本团队结合球磨及离心喷雾干燥技术自主开发了适于激光增材制造氧化物共晶陶瓷研究的共晶组分氧化物陶瓷球形粉末制备工艺[ 67, 68, 69, 70].首先, 利用行星式球磨机将按共晶配比称量的各组元陶瓷粉末充分混匀.随后, 利用离心喷雾干燥技术对混匀的陶瓷粉末进行形貌改性.离心喷雾干燥技术原理示意图如 图3(a)所示, 粉末改性前后的形貌对比如 图3(b, c)所示.小尺寸、易团聚的非规则粉末被改性为粒径10~50 μm的近球形粉末, 粒径分布如 图3(d)所示.通过采用LDED用送粉装置测试粉末的送给质量, 发现粉末可从喷头处均匀稳定地送出, 满足激光增材制造实验的要求[ 68].该粉末制备工艺既保证了各组元陶瓷粉末能按共晶比例充分混合又保证了粉末的流动性. ... Effect and mechanism of ZrO2 doping on the cracking behavior of melt-grown Al2O3 ceramics prepared by directed laser deposition 1 2020 ... 2011年, 本团队在长期开展超高温氧化物共晶陶瓷定向凝固成形研究的基础上, 针对共晶陶瓷领域发展面临的瓶颈并结合金属激光增材制造技术原理, 率先提出将激光增材制造技术应用到超高温氧化物共晶陶瓷制备上的设想, 并初步证实了该设想的可行性.采用LDED技术成功制备了表面光滑、近全致密的片状及棒状Al2O3/YAG共晶陶瓷试样, 引领了激光增材制造氧化物共晶陶瓷的研究热潮[29].2013年, 德国弗劳恩霍夫激光技术研究所采用SLM技术制备了近全致密的Al2O3/ZrO2共晶陶瓷柱状试样, 并获得了牙齿支架模型[30].2015年开始, 大连理工大学吴东江等[31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43]陆续开展了LDED制备Al2O3/ZrO2共晶陶瓷的研究工作, 制备了高致密的壁状、柱状等样件.2018年, 湖南大学张屹等[44,45]考察了LDED制备Al2O3/ZrO2共晶陶瓷时的气孔缺陷形成机制及控制方法.2019年, 澳大利亚昆士兰大学Fan等[46,47]探究了LDED制备Al2O3/YAG/ZrO2共晶陶瓷的凝固行为及组织演化.在各国学者的共同努力下, 激光增材制造氧化物共晶陶瓷材料已涵盖了Al2O3/YAG、Al2O3/ZrO2、Al2O3/YAG/ZrO2、Al2O3/GAP/ZrO2等多个体系. ... Al2O3-YAG eutectic ceramic prepared by laser additive manufacturing with water-cooled substrate 4 2019 ... 2011年, 本团队在长期开展超高温氧化物共晶陶瓷定向凝固成形研究的基础上, 针对共晶陶瓷领域发展面临的瓶颈并结合金属激光增材制造技术原理, 率先提出将激光增材制造技术应用到超高温氧化物共晶陶瓷制备上的设想, 并初步证实了该设想的可行性.采用LDED技术成功制备了表面光滑、近全致密的片状及棒状Al2O3/YAG共晶陶瓷试样, 引领了激光增材制造氧化物共晶陶瓷的研究热潮[29].2013年, 德国弗劳恩霍夫激光技术研究所采用SLM技术制备了近全致密的Al2O3/ZrO2共晶陶瓷柱状试样, 并获得了牙齿支架模型[30].2015年开始, 大连理工大学吴东江等[31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43]陆续开展了LDED制备Al2O3/ZrO2共晶陶瓷的研究工作, 制备了高致密的壁状、柱状等样件.2018年, 湖南大学张屹等[44,45]考察了LDED制备Al2O3/ZrO2共晶陶瓷时的气孔缺陷形成机制及控制方法.2019年, 澳大利亚昆士兰大学Fan等[46,47]探究了LDED制备Al2O3/YAG/ZrO2共晶陶瓷的凝固行为及组织演化.在各国学者的共同努力下, 激光增材制造氧化物共晶陶瓷材料已涵盖了Al2O3/YAG、Al2O3/ZrO2、Al2O3/YAG/ZrO2、Al2O3/GAP/ZrO2等多个体系. ...
高硬度、低韧性是氧化物共晶陶瓷的本征特点 是制约大尺寸、复杂形状共晶陶瓷样件制备的关键.为了优化激光增材制造氧化物共晶陶瓷的可加工性,研究人员通过采取细化组织、添加硬质相等措施开展了陶瓷增韧的研究工作.Wu等[ 41]通过水冷基板细化组织将LDED制备的Al 2O 3/YAG共晶陶瓷的断裂韧性由5.40 MPa·m1/2增加到5.86 MPa·m1/2, 提升了8.5%.Yan等[ 33, 42]通过采取超声辅助和添加C纤维的方式将LDED制备的Al 2O 3/ZrO 2共晶陶瓷共晶间距由~130 nm细化到~50 nm.在组织细化和纤维增韧的共同作用下, 将断裂韧性由6.52 MPa·m1/2增加到8.70 MPa·m1/2, 提升了33.4%.结果表明, 采取细化组织、添加硬质相等措施有效提高了共晶陶瓷的断裂韧性, 但并未取得质变的效果, 共晶陶瓷的韧性依然处于较低水平. ... Preparation of large-size Al2O3/GdAlO3/ZrO2 ternary eutectic ceramic rod by laser directed energy deposition and its microstructure homogenization mechanism 3 2021 ... 本团队结合球磨及离心喷雾干燥技术自主开发了适于激光增材制造氧化物共晶陶瓷研究的共晶组分氧化物陶瓷球形粉末制备工艺[67,68,69,70].首先, 利用行星式球磨机将按共晶配比称量的各组元陶瓷粉末充分混匀.随后, 利用离心喷雾干燥技术对混匀的陶瓷粉末进行形貌改性.离心喷雾干燥技术原理示意图如图3(a)所示, 粉末改性前后的形貌对比如图3(b, c)所示.小尺寸、易团聚的非规则粉末被改性为粒径10~50 μm的近球形粉末, 粒径分布如图3(d)所示.通过采用LDED用送粉装置测试粉末的送给质量, 发现粉末可从喷头处均匀稳定地送出, 满足激光增材制造实验的要求[68].该粉末制备工艺既保证了各组元陶瓷粉末能按共晶比例充分混合又保证了粉末的流动性. ...
本文的其它图/表
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