供稿人:陈义，鲁中良 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2020-07-14
孔隙是直接激光沉积（DLD）过程中的常见缺陷，孔隙降低了陶瓷材料的断裂韧性，而且还导致零件的失效。大连理工大学[1]分析了DLD工艺成形过程中陶瓷零件孔隙的形成机理，研究了激光功率，进给速度，扫描速度和超声功率对孔隙的影响。孔隙主要分为气孔和收缩孔，激光加工过程中低熔点杂质和氧化铝/氧化锆气化形成气体，气体均匀分布在薄壁试样的横截面上形成圆形气孔。当温度急剧变化时，互相粘接的陶瓷颗粒融化后再发生固化形成收缩腔，收缩腔是不规则的，孔壁相对粗糙，主要集中在薄壁样品的顶部。
图1 DLD设备Al2O3-ZrO2共晶陶瓷圆柱体
通过正交实验对工艺参数进行优化，分别讨论了激光功率，扫描速度和送粉速度对试样孔隙率的影响，上述三种因素对孔隙率的影响程度如下：激光功率>扫描速度>进料速度，最终得到优化的工艺参数：激光功率420 W，扫描速度400 mm/min和粉末进料速度1.8g /分。
图2 辅助超声对孔隙率的影响：（a）孔隙率和超声功率曲线，（b）和（c）添加超声前后的组织均匀性变化，（d）和（e）超声添加前后前共晶间距的变化，（f）和（g）超声添加前后的孔隙变化
图3纳米共晶间距高密度Al2O3-ZrO2共晶陶瓷样品：（a）结构试样，（b）SEM显微组织元素分布和XRD相图，（c）TEM微观结构和相界
通过超声辅助DLD制备了具有极高密度和低孔隙率的弧形圆柱形Al2O3-ZrO2低共熔陶瓷。当超声功率为180 W时，孔隙率至少达到0.1±0.05％，并且相对密度为99.9±0.1%。Al2O3-ZrO2共晶陶瓷的相界面牢固结合，共晶间距超过了100 nm的极限，达到了50±10 nm的微尺度，这为Al2O3-ZrO2共晶陶瓷转变为功能陶瓷提供了可能。