【詳解】陶瓷材料選擇性激光燒結(jié)熔融技術(shù)研究與應(yīng)用

隨著制造技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用需求的提升，陶瓷材料因其具有高熔點(diǎn)、高硬度、高耐磨性、耐氧化等獨(dú)特優(yōu)勢，開始被應(yīng)用于火箭收-擴(kuò)式可調(diào)尾噴管、熱電偶套管、熱交換器等熱端部件的制造。2010年11月，通用電氣公司在F414改進(jìn)型發(fā)動機(jī)上進(jìn)行了陶瓷基復(fù)合材料（CMC）渦輪轉(zhuǎn)子葉片的試驗(yàn)性應(yīng)用；2013年GE9X發(fā)動機(jī)研究項(xiàng)目高壓壓氣機(jī)（HPC）采用了CMC制造燃燒室和渦輪。這些熱端陶瓷零部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別是一些具有薄壁、內(nèi)流管道、深孔等特征的零件，采用傳統(tǒng)加工工藝?yán)щy，如切削加工、干壓成型、注漿成 型、流延成型、凝膠注模成型等方法，難以滿足生產(chǎn)需求 。獨(dú)家專訪：荷蘭DLP 陶瓷&DLP金屬3D打印黑科技ADMATEC一篇文章帶你讀懂陶瓷3D打印

為滿足新一代復(fù)雜零部件的先進(jìn)制造需求，產(chǎn)品的輕量化以及節(jié)能高效的先進(jìn)制造工藝越來越受到青睞，新型制造技術(shù)不斷涌現(xiàn)，這些新加工方法在彌補(bǔ)和克服傳統(tǒng)加工工藝不足的同時為陶瓷零件的制造提供了新的思路。增材制造技術(shù)是20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的一種新型“增量”快速制造技術(shù)，將三維模型降為系列二維平面，利用離散材料逐層堆積，自下而上“生長”成具有任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維產(chǎn)品。

該技術(shù)可在無需準(zhǔn)備任何模具、刀具和工裝卡具的情況下，直接接受產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，快速制造出新產(chǎn)品，從而極大縮短新產(chǎn)品研發(fā)周期、降低開發(fā)成本，對企業(yè)快速響應(yīng)市場、提升市場競爭力具有重要價值。選擇性激光燒結(jié)（SLS）和選擇性激光熔融（SLM）技術(shù)是增材制造技術(shù)的重要分支，一經(jīng)提出就引起研究人員廣泛關(guān)注，塑料、尼龍、樹脂及金屬材料SLS/SLM技術(shù)已經(jīng)取得了較好的研究成果并在航空航天、醫(yī)療、模具、汽車等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

然而，對于Al2O3、ZrO2、SiO2、Si3N4、TiC、SiC、莫來石、磷灰石等陶瓷材料，由于熔點(diǎn)高、脆性大，塑性和韌性差，在熱沖擊下易產(chǎn)生裂紋，同時由于SLS/SLM急熱急冷的加工特點(diǎn)，使得陶瓷材料在成形過程中容易產(chǎn)生裂紋，成形困難。目前，國內(nèi)外已經(jīng)有一些科研院所開展陶瓷材料的SLS/SLM技術(shù)研究，在陶瓷材料SLS/SLM成形理論和技術(shù)方面取得了一定的進(jìn)展。本文作者查閱了國內(nèi)外開展陶瓷材料SLS/SLM技術(shù)研究主要科研院所，詳細(xì)分析了目前陶瓷材料SLS/SLM研究狀態(tài)和水平，激光成形工藝參數(shù)、溫度場及后處理等因素對SLS/SLM成形件質(zhì)量和性能的影響作用。

2 陶瓷材料的SLS/SLM成形發(fā)展現(xiàn)狀

2．1 陶瓷材料的SLS成形發(fā)展現(xiàn)狀
SLS由美國Texas大學(xué)Austin分校的CarlCkard于1989年提出，采用先預(yù)置粉末，激光有選擇地分層燒 結(jié)固體粉末，并使燒結(jié)成形的固化層層層疊加生成所需形狀的零件。根據(jù)燒結(jié)過程不同的粘結(jié)機(jī)理， SLS分為固態(tài)燒結(jié)、化學(xué)誘導(dǎo)連接、部分熔化的液相燒結(jié)和完全熔化四種類型；根據(jù)在成形過程中是否使用粘 結(jié)劑，SLS又分為添加粘結(jié)劑和不添加粘結(jié)劑兩類。

添加粘結(jié)劑的SLS，首先將粉末材料與粘結(jié)劑混合，激 光有選擇地分層燒結(jié)混合粉末獲得成形件，然后將所得成形件置于加熱爐中，通過脫脂處理去除其中的粘結(jié)劑，再進(jìn)行浸滲處理，在孔隙中滲入填充物；對于不添加粘結(jié)劑的SLS，燒結(jié)材料由高熔點(diǎn)和低熔點(diǎn)兩種粉末材料構(gòu)成，在激光掃描過程中，低熔點(diǎn)的粉末顆粒熔化，而高熔點(diǎn)的粉末顆粒溫度升高但并未熔化，低熔點(diǎn)的粉末顆粒作為粘結(jié)劑將高熔點(diǎn)的粉末材料粘結(jié)在一起形成成形件。 從SLS成形技術(shù)提出到現(xiàn)在，以比利時魯汶大學(xué)、美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校、美國賓夕法尼亞大學(xué)等高校為代表的研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)針對陶瓷材料開展了一系列研究。目前，應(yīng)用于SLS的陶瓷材料主要包括氧化鋯、氧化鋁、硼化鋯等。

2．1．1氧化鋯SLS成形
氧化鋯密度大，熔點(diǎn)高達(dá)2700℃，耐熱性、耐蝕性優(yōu)良，導(dǎo)熱率低，被認(rèn)為是發(fā)動機(jī)上最有前途的陶瓷材料。同時，氧化鋯透光性好、具有較好生物相容性，是牙科領(lǐng)域新興修復(fù)材料。穩(wěn)定劑氧化釔含量是影響氧化鋯相變臨界尺寸的主要因素，通過控制氧化釔含量可以影響其相變增韌效應(yīng)從而影響成形件的斷裂韌性。Harlan等采用TZ-8Y氧化釔氧化鋯粉末開展激光燒結(jié)實(shí)驗(yàn)，觀察成形件（圖1）微觀結(jié)構(gòu)，未發(fā)現(xiàn)裂紋且每個方向上的線性收縮為13%， 樣件平均粗糙度為14μm。

經(jīng)浸滲處理后，各表面粗糙度降低為9μm，中間小孔表面粗糙度5μm。俄羅斯科學(xué)院Lebedev物理研究所Shishkovsky和法國DIPI實(shí)驗(yàn)室的Yadroitsev等采用ZrO2（ZrO290wt%，Y2O310wt%）粉末，在PhenixPM100上進(jìn)行激光燒結(jié)成形實(shí)驗(yàn)，成形圖2所示的氧 化鋯陶瓷試樣，成形件表面微觀組織（圖3）相對均勻致密，但是含有氣孔和裂紋。

美國賓夕法尼亞大學(xué)Peelamedu等 對釔含量3%的穩(wěn)定四方多晶氧化鋯（3Y-TZP）粉末進(jìn)行SLS成形，采用Nd∶YAG激光器（1．06μm波長）和2．45-GHz微波輻射相結(jié)合的方式成形了直徑12mm，厚度5mm 的氧化鋯小球，所得試樣微觀結(jié)構(gòu)紋理細(xì)密（圖4），納米級晶粒平均尺寸大小為20nm， 內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋或者孔洞，致密度達(dá)到90%

。

上述研究表明， 氧化鋯中氧化釔含量在一定程度上對成形件的質(zhì)量產(chǎn)生影響。當(dāng)氧化鋯中氧化釔含量較高時，成形件表面質(zhì)量較差，出現(xiàn)裂紋和孔洞，致密度較低；氧化釔含量較低時，成形微觀結(jié)構(gòu)細(xì)密且致密度較高。然而，從查閱文獻(xiàn)來看，樣本數(shù)據(jù)較少，氧化釔作為穩(wěn)定劑通過影響可相變氧化鋯含量及其相變增韌作用對激光燒結(jié)成形氧化鋯致密形和微觀結(jié)構(gòu)的影響還有待進(jìn)一步研究。

2．1．2 氧化鋁SLS成形

另一種常見的適用于SLS成形的陶瓷材料為氧化鋁陶瓷，其常溫力學(xué)性能較好，具有高強(qiáng)度，高硬度、高耐磨性，且抗腐蝕、高溫穩(wěn)定性好，熱膨脹系數(shù)高，可作為高溫耐火材料、耐火磚、人造寶石等，在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。此外， 氧化鋁還可應(yīng)用于骨科領(lǐng)域。氧化鋁作為SLS原材料，粘結(jié)劑的選用及后處理工藝是保證成形件質(zhì)量和性能的重要因素。


比利時魯汶大學(xué)Shahzad等 采用聚酰胺PA作為有機(jī)粘結(jié)劑，間接SLS成形Al2O3，針對不同粘結(jié)劑含量的原料進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。當(dāng)粘結(jié)劑含量為40%時，得到SLS成形件相對密度50．4%； 粘結(jié)劑含量為50%時，其相對密度43．1%。研究顯示氧化鋁SLS成形時粉末中粘結(jié)劑含量越高，燒結(jié)件致密度越低。表明燒結(jié)件中粘結(jié)劑的去除也是影響成形件致密度，導(dǎo)致內(nèi)部出現(xiàn)微小孔隙的原因之一。

2．2 陶瓷材料的SLM成形發(fā)展現(xiàn)狀
SLM是在SLS基礎(chǔ)上，1995年由德國Fraunhofer激光研究所提出，采用激光有選擇地分層融化固體 粉末，并使熔融層固化疊加形成零件。與SLS不同， SLM在成形過程中不需要添加粘結(jié)劑而是通過粉末的熔融固化來實(shí)現(xiàn)成形，可較方便地控制孔隙率與孔隙形狀，成形出具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的多孔件  。同時，由于粉末經(jīng)激光掃描快速融化、瞬時凝固，微觀組織細(xì)密，SLM成形件力學(xué)性能優(yōu)于鑄件，使得其在復(fù)雜難加工 件的成形具有突出優(yōu)勢，適合于加工小結(jié)構(gòu)、高質(zhì)量的復(fù)雜不規(guī)則組件及進(jìn)行零件的修復(fù)和表面工程，在航空航天、汽車及生物醫(yī)療等領(lǐng)域顯現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景 。

區(qū)別于陶瓷材料SLS技術(shù)，陶瓷材料SLM技術(shù)是將粉末完全融化后再凝固成形，成形件致密度高，力學(xué)性能較SLS成形件高，但其表面質(zhì)量較差。 氧化鋯和氧化鋁作為常用的工業(yè)及醫(yī)用陶瓷材料，其混合粉末具有單一粉末所不具備的特性。Al2O3和ZrO2在高溫下能共熔，一方面，Al2O3顆粒和ZrO2顆粒相互抑制其生長，成形件晶粒細(xì)小且均勻；另一方 面，具有高彈性模量的Al2O3顆粒有助于ZrO2四方相的保留， 使ZrO2相變增韌陶瓷的相變應(yīng)力明顯提高，斷裂韌性提高，對裂紋產(chǎn)生一定的抑制作用。

德國Fraunhofer激光研究所Hagedorn等采用CO2激光器預(yù) 熱粉床至1715℃，Nd∶YAG激光器掃描，熔融Al2O3和ZrO2混合粉末（ZrO241．5wt%， Al2O358．5wt%）獲得了致密度為100%的試件（圖5），該試件在未經(jīng)后期燒結(jié)工藝和處理情況下具有細(xì)粒度的兩相組織結(jié)構(gòu)：四 方晶氧化鋯和α-氧化鋁，抗彎強(qiáng)度高于500MPa。然而，試樣表面粗糙度高，當(dāng)試件的高度大于3mm時，試件將不能達(dá)到100%的致密度且會產(chǎn)生裂紋

。   

由于SLM成形過程驟冷驟熱的加工特點(diǎn)，成形過程中熱梯度的控制直接關(guān)系到成形件中熱應(yīng)力分布， 影響裂紋的產(chǎn)生。Wilkes博士 開展預(yù)熱溫度對裂紋影響的實(shí)驗(yàn)研究，在無預(yù)熱條件下SLM成形Al2O3和ZrO2混合粉末，未能獲得無裂紋試件，所制試件力學(xué)性能差，彎曲強(qiáng)度只有9．7MPa，而傳統(tǒng)加工試件可以達(dá)到1000MPa；在900℃預(yù)熱條件下，試件有嚴(yán)重的裂紋；在采用CO2激光器預(yù)熱粉床至1715℃條件下，獲得了致密度100%、抗彎強(qiáng)度高于500MPa的試件（圖5）。

這也是目前能夠查閱的SLM成形生物陶瓷的最好性能試件。 從上述研究分析顯示，陶瓷材料采用SLM成形技術(shù)可以獲得完全致密的成形件，但是目前能夠成形的試件表面粗糙度較高，當(dāng)成形高度大于3mm時會出現(xiàn)裂紋。而采用SLS技術(shù)可以得到相對較好的表面形貌及均勻組織， 但由于其粉末粘結(jié)機(jī)理及脫脂去除粘結(jié)劑等工藝導(dǎo)致成形件致密度較低，進(jìn)而降低其強(qiáng)度。

目前，激光快速成形陶瓷材料的唯一商品化設(shè)備PhenixPXM系列（圖6），采用比常規(guī)SLS/SLM粉末更細(xì)的粉末，粉末顆粒僅有幾微米，可直接生產(chǎn)金屬陶瓷零件。一些高校、科研院所開展了陶瓷SLS/SLM研究，但陶瓷材料SLS/SLM成形機(jī)理及方法有待進(jìn)一步研究。

3影響陶瓷材料SLS/SLM成形的工藝參數(shù)分析
在SLS/SLM成形過程中，激光功率、粉末特性、掃描速度、粉層厚度等工藝參數(shù)直接影響成形件性能和質(zhì)量，國內(nèi)外學(xué)者對此開展了大量研究。

3．1粉末粒度和形貌的影響

從SLS/SLM技術(shù)提出開始，國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行 了成形粉末材料的研究，對納米級和微米級陶瓷粉末進(jìn)行燒結(jié)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)陶瓷粉末尺寸直接影響燒結(jié)性能。2003年趙劍鋒教授等采用納米SiC和Al2O3粉開展激光燒結(jié)實(shí)驗(yàn)，獲得納米結(jié)構(gòu)的燒結(jié)制件，并對燒結(jié)制件 的物相、微觀組織進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)利用合理的SLS 工藝參數(shù)，可以抑制燒結(jié)過程中的劇烈汽化、飛濺形成 氣泡等不良現(xiàn)象，保證燒結(jié)過程的平穩(wěn)持續(xù)。

2004年 李景新等 通過理論和試驗(yàn)分析激光燒結(jié)納米Al2O3陶瓷，證明利用激光燒結(jié)的方法，可使燒結(jié)陶瓷的晶粒保持在納米尺度，但由于超細(xì)粉料容易在成形過程中 形成團(tuán)聚，并非粉末越細(xì)，燒結(jié)性能越好，團(tuán)聚體之間 相互作用形成多孔的顯微結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致成形密度下降。2007年法國DIPI實(shí)驗(yàn)室Ph．Bertrand等對粒徑分布在1μm到40μm的ZYP30粉末進(jìn)行對比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)霧化后粒徑分布在1μm以下的粉末最適用于SLS鋪粉，但成形過程中由于顆粒過小發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)獲得SLS成形件致密度僅56%，如圖7所示。

研究表明，納米級陶瓷粉末SLS成形效果不佳。此外，法國Phenix公司在其陶瓷激光快速成形設(shè)備上采用6～10μm的陶瓷粉末進(jìn)行激光燒結(jié)，得到表面質(zhì)量較好的陶瓷成形件。因此，微米級陶瓷粉末比納米粉末進(jìn)行激光成形更具可行性。 SLS/SLM成形常用的陶瓷粉末為球形粉末，球形顆粒流動性好，有利于鋪粉。文獻(xiàn)研究了溫度、粉末形態(tài)對生物陶瓷SLM成形件性能的影響。通過在不同預(yù)熱溫度下開展實(shí)驗(yàn)，該研究在預(yù)熱粉床至1715 ℃時，采用Nd∶YAG激光器掃描，熔融平均尺寸50μm的Al2O3和ZrO2混合粉末（ZrO241．5wt%，Al2O358．5wt%），獲得了致密度100%、 抗彎強(qiáng)度高于500MPa的試件；通過改變顆粒形狀，該研究發(fā)現(xiàn)球形顆粒粉末比不規(guī)則粉末經(jīng)SLM成形后微觀組織更加致密。

雖然球形粉末顆粒有利于鋪粉和燒結(jié)，但相同粒徑的球形顆粒之間兩兩相切堆積密度小，空隙大，燒結(jié) 件的相對密度降低，影響成形質(zhì)量。英國利茲大學(xué)Goodridge等將丙烯酸作為粘結(jié)劑，以相同比例混合粒徑45～90μm和45μm以下的磷灰石-莫來石粉末并進(jìn)行SLS燒結(jié)，再經(jīng)脫脂和浸滲處理，得到致密度40%的多孔成形件。由于粉末顆粒間的填充作用，采用不同粒徑的粉末成形強(qiáng)度高于采用單一粉末的成形件，研究還表明，當(dāng)粒徑分布在45～90μm的陶瓷粉末和粒徑分布在45μm以下的陶瓷粉末含量比例為1∶1時，達(dá)到的強(qiáng)度最高。由此，在SLS/SLM成形過程需要混合不同粒徑大小的粉末，以期實(shí)現(xiàn)不同顆粒間的填充和優(yōu)化組合，提高成形質(zhì)量。

3．2激光能量密度的影響
激光能量密度是影響SLS/SLM成形的關(guān)鍵工藝參數(shù)，直接關(guān)系到SLS/SLM能否成形，并影響SLS/SLM 成形件的致密度和機(jī)械強(qiáng)度。文獻(xiàn)［7，26］分別采用平均粒徑50μm的Al2O3和粒徑28～70μm的SiC陶瓷粉末開展SLS成形研究， 分析激光能量密度對成形強(qiáng)度和相對密度的影響，獲得研究數(shù)據(jù)綜合如圖8所示。隨著激光能量密度的增加，燒結(jié)件強(qiáng)度和相對密度均呈先增大后減小的趨勢，且對于不同陶瓷材料，強(qiáng)度和相對密度達(dá)到最大值時激光能量密度不同。因此，需根據(jù)不同成形材料確定最佳激光能量密度值。

美國密蘇里科技大學(xué)Leu等對平均粒徑3μm的硼化鋯陶瓷進(jìn)行SLS成形，實(shí)驗(yàn)獲得表2所示的數(shù) 據(jù)，在較小的激光能量密度下成形件X、Y方向收縮率總是小于Z方向收縮率，歸因于較小的激光能量無法使熔池向下擴(kuò)散而很好的粘結(jié)兩層粉末；當(dāng)采用較高能量密度時，不僅減小各個方向收縮率，同時還提高成形件的致密度（圖9）。

國內(nèi)學(xué)者對于納米級陶瓷粉末與激光能量密度之 間的作用機(jī)理也進(jìn)行了探索，張堅(jiān)等采用SLS法成形聚合物/Al2O3納米復(fù)合材料，在一定的激光燒結(jié)工藝參數(shù)條件下，可燒結(jié)成納米粒子均勻分散在聚合物基體中的塊體材料；在掃描速度、掃描間距、掃描路徑和鋪粉厚度一定的條件下，激光功率對納米復(fù)合材料的洛氏硬度和缺口抗沖擊性能等力學(xué)性能具有顯著的 影響，如圖10所示。鄭州大學(xué)冀勇等 對100nm的 α-Al2O3粉末進(jìn)行激光燒結(jié)實(shí)驗(yàn)，顯示樣品的結(jié)構(gòu)特征與激光燒結(jié)工藝參數(shù)密切相關(guān)：激光功率較小、掃描速率較大時，顆粒表面部分微熔，顆粒之間連接不緊密，出現(xiàn)大量的孔洞，并且樣品內(nèi)部組織松散；當(dāng)提高激光功率，減小掃描速率到一定程度時，顆粒之間的孔洞面積逐漸縮小，層與層之間連接較好，大量的顆粒緊密連接形成一個整體結(jié)構(gòu)，樣品達(dá)到很好的致密度。

通過上述研究表明，不論對于微米級陶瓷粉末還是納米級陶瓷粉末，隨著激光能量密度增大，陶瓷成形件強(qiáng)度、硬度均逐漸增大，孔隙率減小。然而，當(dāng)能量密度過高時成形件性能降低。其原因在于較小的激光能量密度無法達(dá)到粉末的融化溫度，不足以完全燒結(jié)粉末，從而不能形成致密的燒結(jié)層。相同掃描速度和層厚下，激光功率的增加有助于燒結(jié)質(zhì)量的提升，當(dāng)激光功率逐漸增大時，燒結(jié)層從不充分燒結(jié)到充分燒結(jié)形成致密層。但激光功率過大，會使燒結(jié)溫度升高，導(dǎo)致應(yīng)力分布變化致裂紋效應(yīng)，同時，晶粒尺寸過度生長及熔融狀態(tài)熔池內(nèi)部的渦流效應(yīng)等，使得氣體無法排出，降低燒結(jié)致密度。因此，針對不同的陶瓷材料，需要探索適合的激光能量密度。

3．3 掃描速度的影響
東北大學(xué)王蔚等采用Nd∶YAG激光器對Al2O3、ZrO2、SiO2復(fù)合陶瓷粉末進(jìn)行激光燒結(jié)試驗(yàn)，通過分析工藝參數(shù)對成形過程的影響， 得出掃描速度對成形質(zhì)量影響作用最大，其次是掃描重疊量，最后是激光功率。中北大學(xué)白培康教授 分析覆膜陶瓷粉末變長線掃描激光燒結(jié)工藝參數(shù)與成形件密度的關(guān)系，在鋪 粉參數(shù)一定的條件下，影響燒結(jié)密度的工藝參數(shù)重要性次序?yàn)榧す馐鴴呙杷俣�、激光功率、激光線束長度、預(yù)熱溫度。 通過對比不同燒結(jié)參數(shù)下得到的成形件，分析燒結(jié)深度和寬度隨激光功率和掃描速度的變化規(guī)律，鄧琦林等 發(fā)現(xiàn)當(dāng)掃描速度一定時，燒結(jié)深度和寬度隨激光功率的增加而增加，在激光功率一定時，燒結(jié)深度和寬度隨掃描速度的增加而減�。ㄈ鐖D11）。

掃描速度的大小直接關(guān)系到燒結(jié)層的成形狀態(tài)。在相同的激光功率和層厚下，相對較小的掃描速度有 利于形成均勻、平整的燒結(jié)層。若掃描速度過大，粉末受熱時間短，吸收熱量少，燒結(jié)不完全，不能形成良好的燒結(jié)層。若掃描速度過小，激光在粉體表面停留的時間相對延長，融化的粉體增多，凝固時收縮較大，容易開裂，同樣不利于形成良好的燒結(jié)層。適當(dāng)增大激光功率密度，降低掃描速度，有利于材料的燒結(jié)，能量密度過高或掃描速度過低都會使得燒結(jié)層嚴(yán)重收縮，甚至翹曲變形；相反，能量密度過低或掃描速度過快，則會使粉末加熱溫度不夠，難以燒結(jié)完全，導(dǎo)致成形件的強(qiáng)度下降甚至出現(xiàn)分層。

3．4 溫度的影響
陶瓷材料SLS/SLM成形過程中粉末顆粒之間的熱傳導(dǎo)機(jī)制、三維模型在激光輻照溫度場中的熱梯度分 布以及燒結(jié)過程中表層和內(nèi)部溫度的變化，是影響SLS/SLM成形件質(zhì)量的重要因素。針對SLS/SLM過程 中溫度場的分布， Connecticut大學(xué)Dai等建立三維有限元模型，分析顯示多元混合材料燒結(jié)件的溫度分布、瞬時應(yīng)力、殘余應(yīng)力、變形取決于激光成形工藝參數(shù)及材料本身特性，尤其是材料的導(dǎo)熱性和熱膨脹系數(shù)。

有限元模擬SLS/SLM成形過程還是優(yōu)化工藝參數(shù)的重要手段，可用數(shù)值模擬方法進(jìn)行工藝參數(shù)選擇。 粉末顆粒之間的粘結(jié)機(jī)制是陶瓷SLS/SLM成形機(jī)理研究的基礎(chǔ)， 俄羅斯學(xué)者Gusarov等研究SLS過程中溫度場的變化，建立熱接觸模型分析兩個顆粒燒結(jié)頸處的熱傳導(dǎo)，進(jìn)而分析立方對稱結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)過 程，認(rèn)為這一過程可以由相對密度、平均配位數(shù)和接觸面積進(jìn)行描述。接觸導(dǎo)熱性的分析為SLS成形過程中 溫度場和應(yīng)力場分析奠定了理論基礎(chǔ)。文獻(xiàn)研究了覆膜陶瓷粉末燒結(jié)過程中溫度的測定方法，給出了一種測溫程序及測溫系統(tǒng)。

SLS/SLM成形過程中，溫度的變化將改變粉末顆粒之間的粘結(jié)機(jī)制、熔池形態(tài)、粉末融化層厚度、成形表面溫度梯度及瞬時應(yīng)力、殘余應(yīng)力， 導(dǎo)致成形件變形，影響成形件質(zhì)量和性能。而成形過程中溫度分布直接影響成形件熱梯度，冷熱交替變化導(dǎo)致應(yīng)力發(fā)生變化從而影響裂紋的形成。因此，溫度的控制是陶瓷SLS/SLM成形的關(guān)鍵。

3．5 后處理工藝的影響
陶瓷材料SLS直接燒結(jié)成形件致密度較低，力學(xué)性能較差，需要進(jìn)行必要的后處理改善其質(zhì)量性能。陶 瓷材料SLS后處理主要是通過對SLS燒結(jié)件進(jìn)行一定壓力和溫度下的熱處理來改善其性能，常用后處理方法包括浸滲、等靜壓、高溫煅燒。浸滲是一種微孔滲透密封工藝，將浸滲劑通過自然滲透、抽真空和加壓等方法滲入微孔中，填補(bǔ)成形件 微小孔隙及內(nèi)部缺陷，提高其物理性能。常用的浸滲劑有有機(jī)浸滲劑和無機(jī)浸滲劑等 。

等靜壓處理， 通過增壓系統(tǒng)對置于密閉容器中的被加工物體各個表面施以相等的壓力，以增大密度，改善其物理性質(zhì)。根據(jù)溫度的不同，等靜壓工藝可分為熱等靜壓和冷等靜壓。熱等靜壓是在高溫高壓條件下使得制品燒結(jié)和致密化，冷等靜壓則只需在常溫下給制品施加一定的壓力以達(dá)到致密的目的。 高溫煅燒就是將SLS燒結(jié)坯件置于較高的溫度下進(jìn)行加熱，保溫一段時間后以一定的速率冷卻到室溫的過程。在煅燒過程中，材料內(nèi)部發(fā)生熱分解、微結(jié)晶及微晶的適當(dāng)燒結(jié)，使試件的機(jī)械強(qiáng)度得以提高。

文獻(xiàn)采用間接SLS成形Al2O3陶瓷，聚酰胺作為有機(jī)粘結(jié)劑，得到的燒結(jié)件致密度僅32%～50%，經(jīng)浸滲、熱等靜壓和高溫煅燒處理后，得到無裂紋、致密度89%的成形件，表面粗糙度14μm，強(qiáng)度達(dá)148± 20MPa。 為獲得高密度復(fù)雜形狀氧化鋁陶瓷件，華中科技大學(xué)史玉升團(tuán)隊(duì)采用覆膜和混合相結(jié)合的方式制備出含有機(jī)粘接劑PVA和EＲ06的Al2O3復(fù)合粉體，在HＲPS-Ⅲ型快速成形機(jī)上進(jìn)行選擇性激光燒結(jié)/冷等靜壓成形，經(jīng)脫脂、高溫?zé)�結(jié)獲得陶瓷零部件。

經(jīng)冷等靜壓后，試樣相對密度提高了22%；相對于冷等靜壓，脫脂后試樣密度提高了10%，高溫爐燒結(jié)后又增加27%左右，最終所得Al2O3陶瓷件相對密度大于92．26%。比利時魯汶大學(xué)Deckers等 將激光燒結(jié)和等靜壓結(jié)合成形Al2O3陶瓷材料，獲得致密度94．1%的試件，顯微結(jié)構(gòu)觀察顯示氧化鋁基體中晶粒大小為5μm，并出現(xiàn)兩種不同的孔洞形態(tài)，一種是在SLS成形過程中形成的晶粒間條狀孔洞，一種是較大的聚酰胺在粉末球磨過程中團(tuán)聚形成的中間孔洞，可以通過優(yōu)化成形工藝提高試件的致密度、表面質(zhì)量和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

實(shí)驗(yàn)研究還表明，較高溫度下的準(zhǔn)等靜壓比常溫下的冷等靜壓更能提高燒結(jié)成形件的致密度。 針對提升陶瓷SLS成形零件質(zhì)量性能的后處理工藝研究，魯汶大學(xué)的Shahzad在其博士論文中闡述，SLS成形Al2O3或ZrO2得到的樣件致密度僅32%～50%，但經(jīng)浸滲和熱等靜壓處理后，相對致密度達(dá)到88%，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

由上表可以得出，高溫煅燒僅能使SLS燒結(jié)件相對密度提高5%。浸滲后試樣相對密度提高了31%，經(jīng)熱等靜壓后試樣相對密度提高了35%，再經(jīng)高溫煅燒后提高了6%，最終成形件相對密度達(dá)到88%。因此，浸滲和熱等靜壓處理可以較為顯著的提高SLS成形件的相對密度，而高溫煅燒對相對密度的影響在不同工序下作用程度不同，還需進(jìn)一步探討。 由于粉末特性、成形設(shè)備、工藝參數(shù)等因素的限制，SLS/SLM成形件致密度及強(qiáng)度等性能較差，必要的工藝如脫脂、 浸滲、高溫煅燒等后處理能進(jìn)一步改善成形質(zhì)量。上述研究表明，采用浸滲處理和熱/冷等靜壓可以提高成形件強(qiáng)度和致密度，后處理工藝的優(yōu)化是改善SLS/SLM陶瓷成形件質(zhì)量和性能的重要措施。

結(jié)語
經(jīng)過近幾年的發(fā)展， 陶瓷材料SLS/SLM成形工藝及制件性能得到了一定優(yōu)化，但所制坯件的精度、強(qiáng)度和耐久性等還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足功能件的要求，成形機(jī)理、溫度控制、工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、成形件后處理等仍有待進(jìn)一步的研究和突破。從趨勢來看，未來的研究將集中在提高產(chǎn)品表面質(zhì)量和內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)性能，材料研發(fā)、裂紋控制及后處理也將是重點(diǎn)研究內(nèi)容，具體如下：

（1）開發(fā)適用于SLS/SLM的陶瓷材料 陶瓷粉末作為SLS/SLM成形原材料，不同的粉末顆粒形態(tài)及其質(zhì)量很大程度上決定著成形質(zhì)量，而目前真正商品化的適用于SLS/SLM的陶瓷材料僅有少數(shù)幾個材料開發(fā)商，如荷蘭innalox公司、法國BAIKOWSKI公司、美國Zircarceramics公司、德國Almatis公司、法國ENSMSE研究院、日本大明化工、日本TOSOH公司等，但價格都較為昂貴。這種狀況不利于SLS/SLM技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。因此，開發(fā)適用于SLS/SLM的陶瓷材料是成形的關(guān)鍵步驟。

（2）陶瓷成形裂紋產(chǎn)生機(jī)理及其抑制方法 陶瓷材料因其熔點(diǎn)高、對熱沖擊敏感，在SLM成形中極易產(chǎn)生裂紋，使得成形困難。國內(nèi)外對于激光熔融成形陶瓷過程中裂紋產(chǎn)生機(jī)理的研究還處于探索階段，因此要加強(qiáng)研究陶瓷材料在成形過程中的行為和組織結(jié)構(gòu)演化，深入分析陶瓷材料在熱沖擊下的裂紋產(chǎn)生機(jī)理。通過優(yōu)化掃描策略和成形工藝等方法，改變成形過程中的溫度梯度及材料內(nèi)部熱應(yīng)力的分布來影響成形微觀組織結(jié)構(gòu)，探索裂紋抑制方法。

（3）陶瓷成形工藝優(yōu)化 在SLS/SLM過程中，工藝參數(shù)的變化使成形過程中應(yīng)力場和溫度場發(fā)生變化，影響粉末間粘結(jié)熔融、熔池形態(tài)并直接關(guān)系到最終零件的質(zhì)量和性能。通過控制激光功率、光斑大小、掃描速度、掃描間距、粉層厚度等參數(shù)，改善成形中的球化現(xiàn)象、裂紋、體積收縮、翹曲變形等問題，探索工藝參數(shù)與成形零件性能之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)關(guān)系，優(yōu)化工藝參數(shù)以實(shí)現(xiàn)較好的成形質(zhì)量。

（4）后處理工藝的優(yōu)化 目前，對于SLS成形技術(shù)，陶瓷材料成形件表面質(zhì)量、致密性及力學(xué)性能較差，需要通過必要的后處理進(jìn)行改善，如熱/冷等靜壓、浸滲、脫脂、高溫煅燒等。然而，后處理工序較多，延長了零件生產(chǎn)時間，增加了成本且無法改善其表面粗糙度等SLS仍存在的問題，因此有必要對后處理過程進(jìn)行優(yōu)化，同時探索更高效可行的后處理工藝。

編輯：南極熊
作者：劉 威，劉婷婷，廖文和，張凱 （南京理工大學(xué)高端裝備數(shù)字化設(shè)計(jì)制造研究中心）