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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
摘要   (725 HTML44 PDF(pc) (6880KB)(1169)  

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10 LDED制备的Al2O3/YAG/ZrO2共晶陶瓷沉积层内的凝固组织特征[47]
正文中引用本图/表的段落
氧化物陶瓷通常具有较高的熔化熵, 在凝固时呈现小平面生长特性。小平面-小平面共晶在耦合生长时, 由于各相均具有强烈的各向异性生长特征, 导致共晶组织在形态学上通常呈非规则生长形貌[73,74,75,76]。图10所示为LDED制备的Al2O3/YAG/ZrO2共晶陶瓷沉积层内的凝固组织[47]。激光增材制造温度梯度高、冷却速度快, 是一个局部瞬态非平衡凝固过程,固液界面极易失稳, 导致沉积试样呈共晶胞结构, 如图10(a)所示。胞内组织细小, 达到微纳米尺度。共晶各相相互缠结, 呈非规则的“象形文字”共晶结构。利用同轴透射菊池衍射技术(Transmission kikuchi diffraction, TKD)表征了共晶陶瓷的晶体取向关系, 发现共晶各相在局部范围内呈单晶生长, Al2O3相沿[0001]方向生长, YAG及ZrO2相均沿[001]方向生长。激光增材制造Al2O3/YAG/ZrO2共晶陶瓷的取向关系为[0001]Al2O3//[001]YAG//[001]ZrO2
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