一种新型的扫描策略，用于通过激光定向能量沉积技术直接制造大尺寸的Al?O?/GdAlO?/ZrO?共晶陶瓷，无需进行烧结处理

《Journal of Materials Science & Technology》：A novel scanning strategy for fabricating large-sized Al 2O 3/GdAlO 3/ZrO 2 eutectic ceramics directly via laser directed energy deposition without sintering

Al?O?/GAP/ZrO?三元共晶陶瓷通过激光增材制造优化扫描策略制备，获得高相对密度（＞98.5%）、低裂纹密度（0.41 mm?1）及优异断裂韧性（6.35 MPa√m）。

　　

沈忠林|苏海军|陈倩|郭银诺|姜浩|姚家彤|于明辉|李翔|董东|杨佩新|张卓|郭敏

西北工业大学凝固加工国家重点实验室，中国西安710072

摘要

基于氧化铝的共晶复合陶瓷由于其优异的性能稳定性、高温强度、出色的抗氧化性和耐腐蚀性，已成为高性能航空航天发动机中高温结构应用的重要候选材料。在本研究中，采用LDED技术并优化了双轨重叠扫描策略，直接制备出了具有高长径比和宽径比的大尺寸Al₂O₃/GAP/ZrO₂共晶陶瓷，且无需烧结。制备出的样品直径为8–9毫米，高度可达135毫米，相对密度超过98.5%。在双轨重叠策略下，随着扫描速度从200毫米/分钟增加到360毫米/分钟，裂纹密度逐渐降低，在360毫米/分钟时达到最低值0.41毫米^?1。共晶晶粒间的间距从0.47 ± 0.07微米减小到0.15 ± 0.02微米，晶粒内的不规则 Chinese script 共晶结构逐渐转变为棒状和层状结构。由于局部激光重熔的影响，共晶陶瓷的横截面呈现出环状微观结构，而纵向截面则显示出周期性凸起的带状结构。在激光功率为450瓦、扫描速度为270毫米/分钟的情况下，获得了最大断裂韧性6.35 MPa m^1/2。这种优化的扫描策略为制备大尺寸氧化物共晶陶瓷提供了一种新方法，有望克服制造高质量、大尺寸和复杂形状的超高温氧化物陶瓷所面临的瓶颈。

引言

航空航天工业的发展水平被广泛认为是衡量一个国家综合实力和技术进步的关键指标。在各种性能指标中，发动机推重比是一个关键因素。提高这一比率的最直接方法是提高涡轮进口温度。目前，先进发动机的涡轮进口温度已达到约1727°C。然而，广泛使用的镍基超级合金的最大工作温度仅为约1150°C，这已经接近它们的热极限[1]。

通过定向凝固制备的氧化物共晶陶瓷在高温下表现出优异的抗氧化性和出色的机械性能，因此迅速成为研究热点[[2], [3], [4], [5]]。基于液固相变原理，由两种（或更多）相交替成核和生长形成的共晶微观结构具有较高的界面结合强度，并呈现出三维准连续网络结构[6]，这与传统烧结多晶陶瓷中的弱界面截然不同。因此，即使在接近熔点的条件下，这种材料的微观结构也能保持良好的稳定性[7]。例如，通过定向凝固制备的Al₂O₃/Y₃Al₅O₁₂（YAG）共晶陶瓷在1600°C时的抗压蠕变强度是相同成分烧结材料的13倍，并且在1700°C下热处理250小时后没有发生晶粒生长或重量增加[8]。Al₂O₃/GdAlO₃（GAP）共晶陶瓷的弯曲强度从室温到1600°C保持大约600 MPa。因此，熔融生长的氧化物陶瓷被认为是能够在1600°C以上长期稳定工作的新型高温结构材料的有希望的候选者[9]。

然而，通过传统定向凝固制备的氧化物陶瓷样品通常尺寸较小且几何形状简单，难以直接制造复杂的部件，如曲面和薄壁零件。此外，陶瓷的高硬度和脆性也给后续加工和后处理带来了挑战。

激光定向能量沉积（LDED）技术利用空心激光喷嘴实现激光束和汇聚粉末流的同轴输送。随着喷嘴沿预定路径移动，沉积材料逐层堆积[[10], [11], [12]]。与传统方法相比，LDED能够一步制造出几何形状复杂的陶瓷部件。此外，其生产周期和成本在很大程度上不受部件复杂性的影响，具有显著的加工灵活性。因此，LDED技术近年来受到了广泛关注并迅速发展。

目前，已经成功制备了多种高性能熔融生长陶瓷，包括纯Al₂O₃、ZrO₂、Al₂O₃/YAG和Al₂O₃/YAG/ZrO₂[[13], [14], [15], [16]]。LDED的工艺参数（如扫描速度和激光功率）对凝固过程有显著影响。在LDED凝固过程中，特别是熔池的凝固速率和温度梯度，在不同工艺参数下变化很大。这些因素强烈影响最终的微观结构和机械性能[17]。

刘等人[18,19]制备了高长径比的Al₂O₃/GAP/ZrO₂陶瓷，发现增加扫描长度会导致严重的裂纹缺陷，这极大地限制了大直径氧化物共晶陶瓷的制备[18,20]。吴等人[16]也制备了不同ZrO₂含量的棒状氧化物陶瓷，表现出良好的成型质量。然而，传统的扫描路径仍然难以克服制造大型复杂陶瓷结构的挑战。范等人[21]制备了薄壁氧化物共晶陶瓷，但单轨扫描策略无法显著提高陶瓷样品的高度。

在本研究中，通过优化扫描策略制备了大尺寸Al₂O₃/GAP/ZrO₂陶瓷。此外，利用优化的扫描策略，研究了典型工艺参数（如扫描速度和激光功率）对成型质量、微观结构和机械性能的影响。这些发现为后续的工艺优化和微观结构-性能调控提供了技术指导。

部分摘录

材料与制备方法

本实验使用的粉末材料是通过等离子球化制备的复合球形粉末。根据Al₂O₃-Gd₂O₃-ZrO₂三元共晶相图[22]，三种不同粒度的原始粉末按共晶比例(Al₂O₃):(Gd₂O₃):(ZrO₂) = 58:19:23（摩尔%）[23]通过球磨混合。随后，混合物经过等离子球化处理，得到具有三元共晶组成的复合球形粉末。

制备的Al₂O₃/GAP/ZrO₂共晶陶瓷的成型质量

使用单轨往复扫描策略制备的Al₂O₃/GAP/ZrO₂共晶陶瓷的微观结构如图2所示，扫描长度范围为1至15毫米。在扫描长度为1毫米时，每层的停留时间较短，导致逐层扫描过程中熔池扰动较大[30]，使得样品表面不均匀，呈现波浪状形态（图2(a)）。随着扫描长度的增加，样品的微观结构逐渐

结论

采用激光定向能量沉积（LDED）技术制备了Al₂O₃/GAP/ZrO₂三元共晶陶瓷。通过优化扫描策略和工艺参数，系统研究了激光功率、扫描速度和层厚度对成型质量、微观结构和机械性能的影响。主要结论如下：

(1)

单轨往复扫描策略适用于制备棒状或薄壁样品

CRediT作者贡献声明

沈忠林：撰写——原始草稿、可视化、资源、方法论。苏海军：撰写——审稿与编辑、项目管理、资金获取。陈倩：撰写——审稿与编辑、可视化。郭银诺：撰写——审稿与编辑、研究。姜浩：撰写——审稿与编辑、方法论。姚家彤：撰写——审稿与编辑、验证。于明辉：撰写——审稿与编辑、方法论。李翔：撰写——审稿与编辑、验证。董东：撰写

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（项目编号2024YFB3714502）、广东省基础与应用基础研究基金（项目编号2024B1515120031）、国家自然科学基金（项目编号52130204和52174376）、宁波市科技计划项目（项目编号2025Z070）、陕西省重点研发项目（项目编号2024GX-ZDCYL-03-03和2024CY-GJHX-29）以及国家先进稀有金属材料创新计划的支持