廣東省科學(xué)院畢貴軍研究員等聯(lián)合發(fā)表：直接激光增材制造陶瓷研究進(jìn)展綜述

作者：趙大可，畢貴軍圖片，陳杰，WaiMeng  Quach，馮然，Antti  Salminen，牛方勇

直接激光增材制造，無(wú)需模具和粘合劑，不僅有望突破傳統(tǒng)制備工藝的局限，更為高性能陶瓷部件的一步制造提供了新的途徑。本文深入分析了該類(lèi)技術(shù)的最新進(jìn)展、面臨的問(wèn)題及改善策略，展望了其在當(dāng)前工業(yè)中的應(yīng)用前景。隨著技術(shù)不斷發(fā)展，直接激光增材制造陶瓷將在更多領(lǐng)域展現(xiàn)其非凡的創(chuàng)造力與應(yīng)用價(jià)值。

文章亮點(diǎn)

• 介紹了一步直接激光增材制造陶瓷的工藝原理和材料體系。
• 綜述了直接激光增材制造陶瓷成形質(zhì)量、微觀組織和力學(xué)性能及改善策略。
• 展望了直接激光增材制造在高性能陶瓷方面的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)和潛在應(yīng)用。
  

近日，廣東省科學(xué)院智能制造研究所、大連理工大學(xué)、澳門(mén)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和芬蘭圖爾庫(kù)大學(xué)在Int. J. Miner. Metall. Mater. 上聯(lián)合發(fā)表了題為“A critical review of direct laser additive manufacturing ceramics”的綜述文章，系統(tǒng)地總結(jié)了過(guò)去十多年里陶瓷直接激光增材制造方面的一些關(guān)鍵研究工作，并對(duì)領(lǐng)域當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)、未來(lái)研究機(jī)會(huì)和潛在應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)和展望。畢貴軍研究員領(lǐng)導(dǎo)的“先進(jìn)激光增材制造技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”所在的廣東省科學(xué)院智能制造研究所為本文工作的主要完成單位。



在極端惡劣的環(huán)境下，高性能陶瓷部件具有耐高溫、耐腐蝕、耐侵蝕、耐磨損等令人興奮的特性，因而受到各行各業(yè)的青睞。用陶瓷替代高溫和合金理論上可以減輕關(guān)鍵核心部件的重量，有望提高飛機(jī)的靈活性和機(jī)動(dòng)性。此外，陶瓷優(yōu)異的耐熱性還能提高內(nèi)燃機(jī)和渦輪機(jī)械的燃燒效率，從而減少碳排放。陶瓷在處理能源領(lǐng)域的問(wèn)題上也表現(xiàn)出色，例如在核工業(yè)中，腐蝕性和高輻射通量非常普遍。這些高價(jià)值陶瓷部件包括排氣噴嘴、燃燒器內(nèi)襯、渦輪葉片、葉片、熔鹽反應(yīng)堆、催化轉(zhuǎn)換器和電動(dòng)汽車(chē)軸承。因此，合理利用陶瓷部件有望實(shí)現(xiàn)人們期待已久的目標(biāo)，即提高高端設(shè)備的效率、性能和使用壽命。鑒于全世界對(duì)低排放的日益重視，這一點(diǎn)尤為重要。

然而，使用傳統(tǒng)制造工藝（如成型和燒結(jié)）生產(chǎn)陶瓷部件，要達(dá)到所需的幾何形狀和表面光潔，需要經(jīng)過(guò)材料制備、加工、燒結(jié)、熱處理和精加工等多個(gè)步驟，工藝周期長(zhǎng)。近年來(lái)，增材制造（AM）因其靈活的成形方法，為高性能陶瓷的制備提供了一種極具吸引力的解決方案。直接激光增材制造（DLAM），為一步成型復(fù)雜的近凈形陶瓷部件提供了可能，根據(jù)送粉模式的不同，一般有兩種主要變體：選擇性激光燒結(jié)/熔化（SLS/SLM）和激光定向能量沉積（LDED）。具有許多優(yōu)勢(shì)：(i) 單步無(wú)模制造近凈形陶瓷部件；(ii) 靈活設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和材料；(iii) 小批量、高精度生產(chǎn)能力；(iv) 易于滿足快速反應(yīng)和短周期制造要求。在過(guò)去二十年里，使用DLAM工藝進(jìn)行的“陶瓷”課題研究吸引了全世界的關(guān)注，發(fā)表論文的數(shù)量也在不斷增加，如圖1所示。

質(zhì)量和性能是陶瓷部件經(jīng)受各種苛刻條件的先決條件，通常受到逐域和逐層成型特性中DLAM工藝多個(gè)參數(shù)的影響。這些參數(shù)包括激光功率、掃描速度、粉末床密度、粉末進(jìn)給速率、掃描模式、搭接率和加工環(huán)境。陶瓷零件的質(zhì)量包括缺陷、殘余應(yīng)力、夾雜物、幾何精度和表面粗糙度等。加工參數(shù)對(duì)連續(xù)成型零件最小單元的形狀和尺寸有很大影響：部分熔化的微流體或完全熔化的熔池。DLAM工藝的熱量和質(zhì)量歷程非常復(fù)雜，受眾多參數(shù)的影響，這些參數(shù)是獲得高質(zhì)量零件的主要因素。一方面，調(diào)節(jié)熱歷史可以均勻和細(xì)化微觀結(jié)構(gòu)，保證材料性能。另一方面，物質(zhì)（質(zhì)量歷程）的高效擴(kuò)散和對(duì)流輸送，如輸送到熔池的粉末和熔池中的微流體，對(duì)于制造低缺陷高精度零件至關(guān)重要。然而，多種加工參數(shù)和極高的溫度給高性能陶瓷部件的熱量和質(zhì)量歷程控制帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。

為此，本文在簡(jiǎn)要概述工藝原理后，綜述了陶瓷成形質(zhì)量、微觀組織和力學(xué)性能方面的進(jìn)展，為進(jìn)一步的學(xué)術(shù)研究和潛在的工業(yè)發(fā)展做出了積極貢獻(xiàn)。此外，還展望了DLAM技術(shù)在高質(zhì)量陶瓷快速制造方面的未來(lái)機(jī)遇和潛在應(yīng)用。

圖1   陶瓷激光增材制造研究趨勢(shì)

圖2  直接激光增材制造工藝原理示意圖: (a) 選擇性激光燒結(jié)/熔化（SLS/SLM），(b) 激光定向能量沉積（LDED）

圖3  利用SLS/SLM工藝制造的典型陶瓷部件：（a）Al2O3陶瓷 [24]；（b、c）SiC陶瓷 [54]；（d）Al2O3/ZrO2陶瓷 [33]；（e）Al2O3/GdAlO3/ZrO2共晶陶瓷 [57]

圖4  利用LDED工藝制造的典型陶瓷部件：（a）Al2O3陶瓷 [37]；（b）Al2O3/ZrO2共晶陶瓷 [42]；（c）Al2O3/ZrO2陶瓷 [53]；（d）Al2O3/Al2TiO5陶瓷 [56]；（e、f）Al2O3/GdAlO3/ZrO2共晶陶瓷 [49]

圖5  LDED 加工陶瓷的裂紋特征：（a）Al2O3/ZrO2陶瓷 [53]，（b）具有不同裂紋分叉的Al2O3/GdAlO3/ZrO2共晶陶瓷 [49]，以及（c）不同位置下的莫來(lái)石[53]

圖6   DLAMed陶瓷孔洞特征：（a）粘結(jié)不良 [59]，（b）未融合 [45]，（c）氣孔 [45]，以及（d，e）通過(guò)微型計(jì)算機(jī)斷層掃描獲得的空隙特征（（d）固體質(zhì)量分布和（e）相應(yīng)的孔隙率分布） [69]

圖7   DLAM制備陶瓷的缺陷抑制方法：（a）預(yù)熱 [80]；（b）超聲波輔助 [45]

圖8  利用DLAM工藝制造Al2O3/ZrO2共晶陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)特征：（a）具有菌落結(jié)構(gòu)的典型微觀結(jié)構(gòu) [42]，（b）具有更細(xì)共晶間距的微觀結(jié)構(gòu) [45]，以及（c，d）具有周期性帶狀結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu) [88]

圖9  利用DLAM工藝制造的ZrO2、SiC和莫來(lái)石的微觀結(jié)構(gòu)特征：（a，b）直接 SLSed ZrO2（（a）沿構(gòu)建方向和（b）單柱晶粒特征）[26]，（c，d）直接SLSed SiC（（c）中等能量密度水平和（d）燒結(jié)顆粒）[27]，以及（e，f）LDEDed 莫來(lái)石（（e）圓柱中部和（f）圓柱體邊緣）[61]

圖10   DLAM陶瓷的前景與應(yīng)用

圖片介紹： 基于粉末的DLAM工藝在航空航天和能源等行業(yè)引起顯著反響。這種興奮源于其在單一步驟中制造致密和復(fù)雜形狀陶瓷部件的潛力。然而，與金屬和聚合物相比，用于陶瓷的DLAM技術(shù)發(fā)展緩慢。DLAM陶瓷的制造面臨著巨大的科學(xué)和技術(shù)挑戰(zhàn)，包括對(duì)成形質(zhì)量、缺陷、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進(jìn)行細(xì)致的控制。一個(gè)主要障礙是其固有的脆性和低熱沖擊耐受性，尤其是在幾何和機(jī)械性能方面，同時(shí)還需要承受極高的溫度梯度和反復(fù)的熱循環(huán)。為了應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，未來(lái)可能的發(fā)展趨勢(shì)有:

基于數(shù)據(jù)和高保真/高效率數(shù)值模擬驅(qū)動(dòng)的工藝優(yōu)化；

新的裂紋萌生/擴(kuò)展理論和抑制策略；

孔洞形成與控制的新理論和新方法；

顯微組織和性能控制的新方法；

適用于DLAM的專(zhuān)用陶瓷粉體開(kāi)發(fā)；

未來(lái)可能的應(yīng)用。應(yīng)用于特定小型散裝部件，如機(jī)械制造中的精密切削工具、汽車(chē)密封環(huán)和制動(dòng)器、牙科中的髖關(guān)節(jié)假體、智能工廠中的精密齒輪以及需要后續(xù)加工的陶瓷測(cè)溫傳感器。此外，制備高質(zhì)量陶瓷涂層也是一個(gè)有趣的應(yīng)用途徑。例如，使用超高速DLAM制備陶瓷涂層有望通過(guò)減少裂紋而顯著提高基體表面的耐磨性和耐腐蝕性。

團(tuán)隊(duì)及作者介紹
廣東省科學(xué)院智能制造研究所“先進(jìn)激光增材制造技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”聚焦激光加工與增材制造的科學(xué)問(wèn)題與產(chǎn)業(yè)需求，開(kāi)展應(yīng)用技術(shù)研究，兼顧重大技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)研究。團(tuán)隊(duì)的主要研究方向包括：激光加工與增材制造、增材/增減材制造數(shù)字化技術(shù)、智能建模與仿真、過(guò)程監(jiān)測(cè)與控制、增材/增減材制造工藝與材料、超高速激光熔覆關(guān)鍵工藝與系統(tǒng)研發(fā)等。

近五年來(lái)，團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了一系列科研任務(wù)，包括國(guó)家級(jí)項(xiàng)目5項(xiàng)，省部級(jí)項(xiàng)目5項(xiàng)，多項(xiàng)市級(jí)項(xiàng)目及企業(yè)合作項(xiàng)目，總經(jīng)費(fèi)達(dá)4000余萬(wàn)元；發(fā)表SCI收錄文章30余篇；獲得授權(quán)專(zhuān)利20余項(xiàng)。團(tuán)隊(duì)現(xiàn)有研究人員9人，其中博士6人。團(tuán)隊(duì)與新加坡、德國(guó)、芬蘭等國(guó)家，和香港、澳門(mén)地區(qū)的高校、研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展了廣泛的合作研究。

畢貴軍，國(guó)家特聘專(zhuān)家，北京市特聘專(zhuān)家，現(xiàn)任廣東省科學(xué)院激光制造技術(shù)首席科學(xué)家，擁有20多年激光加工與增材制造的研究經(jīng)驗(yàn)。近5年主持國(guó)家、省、市級(jí)科研項(xiàng)目6項(xiàng)。曾作為新加坡科技局激光加工技術(shù)學(xué)術(shù)帶頭人，主持了包括“大型復(fù)雜構(gòu)件激光增減材復(fù)合制造”計(jì)劃、“復(fù)雜海工結(jié)構(gòu)件先進(jìn)激光輔助增材制造及激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)”等多項(xiàng)新加坡國(guó)家級(jí)科研項(xiàng)目和重大工業(yè)項(xiàng)目，3項(xiàng)成果獲得新加坡航空成就獎(jiǎng)。累計(jì)在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊發(fā)表SCI論文130余篇，被引5100余次，H指數(shù)41（Web of Science）。已獲授權(quán)國(guó)際、新加坡和中國(guó)專(zhuān)利10余項(xiàng)。自2022年起連續(xù)三年入選美國(guó)斯坦福大學(xué)發(fā)布的全球前2%頂尖科學(xué)家榜單，并于2024年入選“終身科學(xué)影響力排行榜”。

趙大可，廣東省科學(xué)院智能制造研究所科研人員、廣東省科學(xué)院認(rèn)證有限公司專(zhuān)家?guī)鞂?zhuān)家。畢業(yè)于大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，在“高性能精密制造創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”完成相關(guān)工作。目前主要從事高質(zhì)量陶瓷、輕質(zhì)合金、高溫合金高性能激光增材制造與超高速激光熔覆等的研究工作。主持廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目1項(xiàng)，廣州市基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目1項(xiàng)，廣東省科學(xué)院高層次人才項(xiàng)目1項(xiàng)，國(guó)內(nèi)某企業(yè)技術(shù)服務(wù)項(xiàng)目1項(xiàng)（51萬(wàn)元），多次參與國(guó)家重大人才工程項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (重大、青基)和多項(xiàng)企業(yè)技術(shù)服務(wù)等項(xiàng)目。近年來(lái)，在Journal of Advanced Ceramics、Additive Manufacturing、International Journal of Extreme Manufacturing、International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials等期刊上發(fā)表論文17余篇，SCI收錄15余次，申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利6項(xiàng)。

引用本文：Dake Zhao, Guijun Bi, Jie Chen, WaiMeng Quach, Ran Feng, Antti Salminen, and Fangyong Niu, A critical review of direct laser additive manufacturing ceramics, Int. J. Miner. Metall. Mater., 31(2024). No. 12, pp. 2607-2626

https://doi.org/10.1007/s12613-024-2960-2