供稿人：王迎鑫 王富 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2023-03-25
功能梯度陶瓷（FGC）通過微觀結(jié)構(gòu)、孔隙或者成分的梯度變化實(shí)現(xiàn)陶瓷性能的梯度過渡，通常有著比常規(guī)陶瓷更好的綜合性能和結(jié)構(gòu)效率，在航空航天，生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注。制備FGC材料通常采用粉末冶金、氣相沉積和鑄造等方法，往往需要高溫的加工環(huán)境，能量消耗大，設(shè)備要求高，近年來增材制造技術(shù)的快速發(fā)展為制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)的FGC材料提供了極大便利。最近大連理工大學(xué)等人采用了激光直接能量沉積法（LDED）制備Al2O3-ZrO2功能梯度陶瓷。該方法的主要原理為：將Al2O3粉末和ZrO2粉末分別以不同的送粉速度輸送到沉積平臺(tái)，通過激光產(chǎn)生的熱量實(shí)現(xiàn)不同陶瓷材料粉末的燒結(jié)。
圖1 (a) 激光直接能量沉積系統(tǒng); (b)~(e) 四種制備的不同的Al2O3-ZrO2 FGC
研究人員對(duì)不同的梯度過渡陶瓷試樣的斷裂韌性進(jìn)行了計(jì)算，由于ZrO2有著比Al2O3更高的斷裂韌性和抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，結(jié)果顯示，所有試樣的斷裂韌性都隨著梯度陶瓷中ZrO2含量的增加而增加。由于性能和成分的相關(guān)性，不同試樣的顯微硬度和斷裂韌性隨高度的變化趨勢(shì)與元素分布特征高度一致。AZ100樣品在過渡界面處有明顯的性能突變，而AZ50樣品在過渡區(qū)表現(xiàn)出平臺(tái)過渡的特征。AZ25 和 AZ20 樣品的性能在高度方向顯示出近似線性的平滑變化。
圖2 Al2O3-ZrO2 FGC的斷裂韌性: (a1) ~ (a2) AZ100線掃描結(jié)果及斷裂韌性; (b1) ~ (b2) AZ50線掃描結(jié)果及斷裂韌性; (c1) ~ (c2) AZ25線掃描結(jié)果及斷裂韌性; (d1) ~ (d2) AZ20線掃描結(jié)果及斷裂韌性
實(shí)驗(yàn)表明可以使用LDED方法制備不同成分梯度變化的陶瓷結(jié)構(gòu)，此研究為制備FGC提供了一種新方法。材料的梯度變化可以消除成分的階躍變化，斷裂韌性的變化規(guī)律與元素過渡特征高度吻合，成分和性能都在高度方向上實(shí)現(xiàn)了平滑過渡，避免了界面性能的突變。然而，對(duì)于不同的材料成分，恒定的工藝參數(shù)很難保證理想的尺寸精度和材料性能。未來，如何根據(jù)材料成分的變化實(shí)時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)需要進(jìn)一步研究。