供稿人：王迎鑫 王富 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2023-03-25
功能梯度陶瓷（FGC）通过微观结构、孔隙或者成分的梯度变化实现陶瓷性能的梯度过渡，通常有着比常规陶瓷更好的综合性能和结构效率，在航空航天，生物医学等领域得到了广泛的关注。制备FGC材料通常采用粉末冶金、气相沉积和铸造等方法，往往需要高温的加工环境，能量消耗大，设备要求高，近年来增材制造技术的快速发展为制备复杂结构的FGC材料提供了极大便利。最近大连理工大学等人采用了激光直接能量沉积法（LDED）制备Al2O3-ZrO2功能梯度陶瓷。该方法的主要原理为：将Al2O3粉末和ZrO2粉末分别以不同的送粉速度输送到沉积平台，通过激光产生的热量实现不同陶瓷材料粉末的烧结。
图1 (a) 激光直接能量沉积系统; (b)~(e) 四种制备的不同的Al2O3-ZrO2 FGC
研究人员对不同的梯度过渡陶瓷试样的断裂韧性进行了计算，由于ZrO2有着比Al2O3更高的断裂韧性和抵抗裂纹扩展的能力，结果显示，所有试样的断裂韧性都随着梯度陶瓷中ZrO2含量的增加而增加。由于性能和成分的相关性，不同试样的显微硬度和断裂韧性随高度的变化趋势与元素分布特征高度一致。AZ100样品在过渡界面处有明显的性能突变，而AZ50样品在过渡区表现出平台过渡的特征。AZ25 和 AZ20 样品的性能在高度方向显示出近似线性的平滑变化。
图2 Al2O3-ZrO2 FGC的断裂韧性: (a1) ~ (a2) AZ100线扫描结果及断裂韧性; (b1) ~ (b2) AZ50线扫描结果及断裂韧性; (c1) ~ (c2) AZ25线扫描结果及断裂韧性; (d1) ~ (d2) AZ20线扫描结果及断裂韧性
实验表明可以使用LDED方法制备不同成分梯度变化的陶瓷结构，此研究为制备FGC提供了一种新方法。材料的梯度变化可以消除成分的阶跃变化，断裂韧性的变化规律与元素过渡特征高度吻合，成分和性能都在高度方向上实现了平滑过渡，避免了界面性能的突变。然而，对于不同的材料成分，恒定的工艺参数很难保证理想的尺寸精度和材料性能。未来，如何根据材料成分的变化实时调整工艺参数需要进一步研究。