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，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。