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

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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。

在进行激光增材制造成形时, 为了尽可能地减少原材料粉末对成形过程的影响, 通常将粉末预先放在烘箱内充分烘干[31,43-44,47,68]。为抑制裂纹的形成, 研究者们采取了多种有效手段对成形过程进行干预。德国弗劳恩霍夫激光技术研究所的Wilkes等[30]采用SLM工艺制备Al₂O₃/ZrO₂共晶陶瓷时, 利用CO₂激光束持续预热成形区域的粉床, 预热温度可达1700 ℃, 有效抑制了裂纹。Yan等[37]采用LDED工艺制备Al₂O₃/ZrO₂共晶陶瓷时引入了超声辅助设备。研究发现, 随着超声功率增大, 裂纹数量显著减少, 长度明显缩短。Wu等[38]通过添加SiC颗粒来抑制裂纹的形成与扩展, 研究发现, 当添加质量分数为25%的SiC颗粒后, 裂纹数量减少93%, 最大裂纹的长度缩短92%。此外, 优化工艺参数也能达到抑制裂纹的目的。作者在研究时发现, 增大扫描速率可以有效抑制裂纹的形成[67]; 裂纹是在逐层叠加制备过程中逐步萌生并扩展的, 通过缩短扫描长度能够有效延缓裂纹的形成进程[68]。当扫描长度为15 mm时, 沉积100层在试样底部发现裂纹; 当扫描长度为10 mm时, 沉积600层开始出现裂纹并逐步扩展; 当扫描长度缩短至4 mm时, 沉积1000层后仍未发现裂纹形成, 如图4所示。