科学网—西北工业大学苏海军教授团队：缺陷抑制新策略！激光表面重熔助力大尺寸氧化物共晶陶瓷一步成形-清华大学出版社学术期刊的博文
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2025-11-14 09:57
| 个人分类: JAC | 系统分类: 论文交流
原文出自 Journal of Advanced Ceramics ( 先进陶瓷 ) 期刊
Cite this article:
Yu S, Su H, Jiang H, et al. Surface remelting strategy for enhancing forming quality in laser directed energy deposition of Al 2 O 3 /GdAlO 3 /ZrO 2 eutectic ceramics: Defects suppression and microstructure evolution. Journal of Advanced Ceramics , 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221198
文章 DOI ： 10.26599/JAC.2025.9221198
ResearchGate ： Surface remelting strategy for enhancing forming quality in laser directed energy deposition of Al 2 O 3 /GdAlO 3 /ZrO 2 eutectic ceramics: Defects suppression and microstructure evolution
一、背景介绍
基于熔体生长的氧化物共晶陶瓷，在接近熔点的高温环境中仍能保持优异力学性能，并具有突出的微观结构稳定性和耐腐蚀性，有望成为新一代可在超高温大气中稳定工作的高性能结构材料。目前，氧化物共晶陶瓷的制备技术主要有 Bridgman 法、边界外延生长法、微拉法和激光悬浮区熔法等。传统定向凝固技术大多依赖特定模具，降低了成形灵活性；氧化物共晶陶瓷的高熔点和硬脆特性，又制约了机械加工制备复杂形状样件的能力。因此，现有技术大多仅能制备简单形状陶瓷样件，且存在制备时间长、能耗高的问题，极大限制了高性能氧化物陶瓷的实际应用。
激光定向能量沉积 (LDED) 技术是一种粉末输送与激光熔覆同步进行的增材制造技术，温度梯度可达 10 6 K/m ，具有成形效率高、凝固速度快、样件尺寸和形状不受限等优势，在制备高熔点熔体自生陶瓷材料方面展现出巨大潜力。然而，该技术在材料制备过程中的分层堆积和快速熔化凝固特性，通常会导致成形件表面和内部存在一定缺陷，严重影响超高温陶瓷零件的成形质量和综合性能。
目前针对这类缺陷的抑制方法主要包括工艺参数优化、外场辅助调控及第二相掺杂等。尽管这些策略具有一定的应用前景，但仍面临诸多局限，例如工艺参数窗口狭窄、外场调控受限以及第二相掺杂带来的不确定性。因此，开发一种不依赖复杂外部设备、不引入外来组分且可原位实施的缺陷抑制技术，对于推进大尺寸、无缺陷、复杂结构陶瓷部件的制备至关重要。
二、成果介绍
近日，西北工业大学苏海军教授团队在共晶陶瓷先进制备技术领域取得重要进展，相关工作以题为《 Surface remelting strategy for enhancing forming quality in laser directed energy deposition of Al 2 O 3 /GdAlO 3 /ZrO 2 eutectic ceramics: defects suppression and microstructure evolution 》发表于 Journal of Advanced Ceramics 。团队创新性地将激光表面重熔 (LSR) 技术与 LDED 技术相结合，成功制备出尺寸达 45×20×30 mm 3 的块状 Al 2 O 3 /GdAlO 3 /ZrO 2 共晶陶瓷，且样品无明显宏观缺陷，为大尺寸高性能共晶陶瓷的制备提供了全新思路。该 LSR 策略通过形成二次熔池，有效缓解了 LDED 过程中的热累积效应，使表面粗糙度显著降低，降幅最高达 82% ，解决了传统 LDED 制备陶瓷表面质量差的关键问题；同时，内部缺陷得到有效抑制，裂纹密度与孔隙率分别降低 41% 和 86% 。通过对能量输入的重新分配与精准调控，团队成功将原本不完整的共晶微观结构转变为均匀的超细共晶微观结构，共晶间距细化至 102 nm ，有效缓解了微观结构不均匀性。此外，得益于表面及内部缺陷的减少，样品相对致密度从 89.3% 提升至 95.9% ，显微硬度在横截面与纵截面分别实现最高 18% 和 11% 的提升。该研究在缺陷调控、微观结构优化与性能提升之间建立了有效关联，为增材制造先进陶瓷材料的高质量制备提供了重要理论指导与技术支撑。
三、图文解析
本研究所采用的 LSR 策略具有明确的时序与空间协同性：每完成一层激光定向能量沉积后，激光喷头会精准移动至该沉积层的初始位置启动 LSR 处理；待重熔过程结束，喷头将沿高度方向抬升一个沉积层厚度，随后同步开展下一层的沉积扫描与重熔扫描 ( 图 1) 。
图 1 激光扫描策略和成形样品 : (a) 扫描策略 ; (b) 成形样品
(1) 表面粗糙度
研究发现，未经过重熔处理的样品表面呈现层状交替的峰谷结构，同时大量未熔化粉末的残留进一步增大了表面粗糙度。相比之下，经重熔处理的样品中，未熔化粉末被完全熔化，熔池的二次流动有效减小了峰谷高度差，使表面平整度得到显著改善。随着重熔激光功率或扫描速率的增加，样品表面粗糙度呈现先降低后升高的趋势 ( 图 2) 。当扫描速率为 340 mm/min 时，粗糙度达到最小值 7.22±0.11 μm ，相较于未重熔样品降低了 82% 。
图 2 重熔激光功率与扫描速率对表面形貌及粗糙度的影响 : (a) 不同重熔激光功率 ; (b) 不同重熔扫描速率
(2) 缺陷特征及密度
研究发现，未重熔样品的横截面与纵截面均存在较明显的裂纹和孔隙缺陷，横截面有不规则主裂纹、次生分支裂纹、大量孔隙及大面积缩孔，纵截面呈脉状裂纹网络，含贯穿性纵向裂纹与底部大面积缩孔。而重熔样品横、纵截面的裂纹数量显著减少、宽度变窄，无贯穿性裂纹，缩孔尺寸与数量也得到有效抑制 ( 图 3) ，充分彰显了 LSR 策略的缺陷抑制效果。
图 3 未重熔样品和重熔样品的横截面与纵截面缺陷分布 : (a) 未重熔样品的横截面 ; (b) 重熔样品的横截面 ; (c) 未重熔样品的纵截面 ; (d) 重熔样品的纵截面
重熔激光功率与扫描速率共同决定沉积层的激光能量密度 ( 功率提高或速率降低均会使能量密度升高 ) ：低能量密度下，熔体仅熔化沉积层表面未熔粉末及浅层区域，可填充表面缺陷，且热输入低、温度梯度与热应力减小，配合细化共晶结构的裂纹扩展抑制作用，显著降低裂纹密度，但沉积层表面渗透深度小、熔池黏度高，导致气泡难以二次逸出，孔隙率升高；高能量密度下，过度熔化会引发熔池飞溅、表面凹坑及热应力增大，使裂纹数量增多，而熔池温度升高、黏度降低且存在时间延长，又利于气泡充分逸出，进而降低孔隙率 ( 图 4) 。
图 4 不同重熔工艺参数下的缺陷密度分布 : (a) 不同重熔激光功率下的裂纹密度与 (b) 孔隙率 ; (c) 不同重熔扫描速率下的裂纹密度与 (d) 孔隙率
本研究建立有无 LSR 策略的有限元模型并分析第 2 、 4 、 6 、 8 层热历史及最大主应力分布曲线 ( 图 5) ，结果显示：低层沉积时 LSR 通过二次热输入预热基底，缩小沉积层与基体温差以降低初始应力；高层沉积时采用低重熔功率减少二次热输入，抑制热累积，为材料冷却提供充足应力弛豫时间，减少热应力累积。据此，本研究提出大尺寸氧化物共晶陶瓷激光增材制造的分层调控工艺策略 —— 低层增大重熔能量输入、高层减小输入，该策略通过优化温场与应力场分布降低开裂倾向，成功制备出 45×20×16 mm 3 和 45×20×30 mm 3 的无明显宏观缺陷块状样品 ( 图 6) ，尺寸远超同类研究报道，充分验证了工艺的有效性与先进性。
图 5 有限元模拟结果 : (a) 无重熔 LDED 工艺中的温度分布曲线 , (c) 温度梯度分布曲线 , (e) 最大主应力分布曲线 ; (b) 重熔 LDED 工艺中的温度分布曲线 , (d) 温度梯度分布曲线 , (f) 最大主应力分布曲线
图 6 通过优化的 LSR 策略制备的 Al 2 O 3 /GdAlO 3 /ZrO 2 共晶陶瓷样品 : (a) 45×20×16 mm 3 ; (b) 45×20×30 mm 3
(3) 微观组织特征及演化
研究发现，样品纵向截面近表面存在未熔合凹坑与孔隙缺陷，微观结构为粗大初生相主导的不完整共晶结构 ( 图 7) ， EDS 分析证实其含 Al 2 O 3 、 GdAlO 3 、 ZrO 2 三相，因 ZrO 2 优先析出、 Al 2 O 3 相提前凝固及快速凝固导致的成分偏析，该区域结构偏离平衡共晶成分；经 LSR 处理的样品近表面凹坑缺陷被完全消除，粗大初生相转变为层片状或棒状极细共晶结构 ( 图 8) ，其中重熔激光功率增加可改善熔化充分性与熔池润湿性，减少未熔合缺陷，共晶间距呈非线性变化，而重熔扫描速率对未熔合缺陷调控效果较弱，且扫描速率越高共晶间距越细，当速度达 460 mm/min 时共晶间距可细化至 102 nm ，这一规律表明 LSR 通过改变凝固条件实现微观结构优化。
图 7 未重熔样品近表面区域纵截面微观结构 : (a) 近表面区域微观结构 ; (b) 近表面区域缺陷 ; (c) 黄色区域放大图像 ; (d) 微观结构的 EDS 分析结果
图 8 不同重熔激光功率下重熔层的微观结构 : (a-a1) 100 W; (b-b1) 150 W; (c-c1) 200 W; (d-d1) 250 W; (e-e1) 280 W; (f-f1) 330 W
(4) 相对致密度和显微硬度
研究发现，经 LSR 处理的样品相对致密度总体高于未重熔样品 (89.3%) ，其中随重熔激光功率增加相对致密度先升至 95.2% 再降至 92.6% ，随扫描速率增加从 91.4% 单调升至 95.9%( 图 9) ，这主要源于 LSR 对孔隙、裂纹等缺陷的抑制及成形质量的提升；显微硬度测试显示，重熔功率 200 W 时横、纵截面硬度峰值分别达 17.8±1.3 GPa 和 16.9±1.1 GPa ，较未重熔样品提升 18% 和 11% ，扫描速率 460 mm/min 时横向硬度峰值 16.6±2.2 GPa 、 300 mm/min 时纵向硬度峰值 16.2±0.6 GPa( 图 10) ，呈现速率依赖性差异，该结果与共晶间距细化规律及缺陷抑制效果一致，验证了 LSR 对陶瓷材料力学性能的协同调控作用。
图 9 不同重熔工艺参数下样品的相对致密度 : (a) 重熔激光功率 ; (b) 重熔扫描速率
图 10 不同重熔工艺参数下样品的显微硬度 : (a) 重熔激光功率 ; (b) 重熔扫描速率
四、总结与展望
本研究系统探究了 LSR 工艺对 LDED 制备 Al 2 O 3 /GdAlO 3 /ZrO 2 共晶陶瓷的表面质量、缺陷抑制、微观结构、相对致密度及显微硬度的影响，不仅填补了 LSR 技术在陶瓷增材制造领域的应用空白，更为氧化物共晶陶瓷部件的工程化应用奠定了理论与技术基础。研究证实， LSR 通过形成二次熔池填充表面凹坑、重熔未熔粉末，使样品表面粗糙度最大降低 82% ，同时抑制表面缺陷引发的热累积与应力集中，对内部缺陷的抑制效果显著，裂纹密度与孔隙率最大降幅分别达 41% 和 86% ，成功制备出 45×20×30 mm 3 的无明显宏观缺陷块状陶瓷。此外， LSR 能消除近表面异常析出的初生相，将不完整共晶结构转变为均匀超细共晶结构，共晶间距最细可达 102 nm 。通过缺陷的有效抑制使样品相对致密度从 89.3% 提升至 95.9% ，横、纵截面显微硬度分别最高提升 18% 和 11% ，为高性能陶瓷的规模化制备提供了高效解决方案。
五、作者及研究团队简介
苏海军（通讯作者） ，西北工业大学长聘二级教授、博士生导师。国家级领军人才，国家优秀青年科学基金获得者，中国有色金属创新争先计划获得者。入选国家首批 “ 香江学者 ” 计划、陕西省 “ 青年科技新星 ” 、陕西省冶金青年科技标兵、陕西省金属学会优秀科技工作者，担任陕西高校青年创新团队学术带头人、陕西重点科技创新团队带头人和先进高温合金陕西省高校重点实验室主任。长期从事先进定向凝固技术与理论及新材料研究，涉及高温合金、超高温复合陶瓷、半导体复合材料、有机薄膜太阳能电池、生物医用陶瓷材料，以及定向凝固和激光增材制造技术与理论等。主持国家重点研发计划项目，国家自然基金重点、优青等 30 余项国家及省部级重要科研项目，在 Nano Energy ， Advanced Functional Materials ， Nano Letters ， Composites part B: Engineering ， Additive manufacturing 等知名期刊发表 SCI 论文 200 余篇。担任中国有色金属学会青年工作委员会副主任委员、中国机械工程学会材料分会委员会委员、陕西省金属学会副理事长、陕西省有色金属学会副理事长，以及陕西省纳米科技学会常务理事。获授权中国发明专利 60 余项以及 3 项美国发明专利。参编专著 3 部。获陕西省科学技术一等奖、二等奖，中国交通运输协会科学技术二等奖，中国材料研究学会科学技术二等奖，宁波市科技进步一等奖，陕西高校科学技术研究优秀成果特等奖，陕西省冶金科学技术一等奖，全国有色金属优秀青年科技奖和陕西青年科技奖等多项奖励。
《先进陶瓷（英文）》（ Journal of Advanced Ceramics ） 期刊简介
《先进陶瓷（英文）》于 2012 年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版， 清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室 提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被 SCIE 、 Ei Compendex 、 Scopus 、 DOAJ 、 CSCD 等数据库收录。现为月刊， 2024 年发文量为 174 篇； 2025 年 6 月发布的影响因子为 16.6 ，连续 5 年位列 Web of Science 核心合集“材料科学，陶瓷”学科 33 种同类期刊第 1 名； 2024 年 11 月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目； 2025 年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学 1 区 Top 期刊。 2023 年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台 SciOpen 独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。
期刊主页： https://www.sciopen.com/journal/2226-4108
投稿地址： https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer
期刊 ResearchGate 主页： https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508
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