超聲波輔助振動激光增材制造（LENS）ZrO2-Al2O3部件

來源：江蘇激光聯(lián)盟

據悉，采用超聲波輔助振動的辦法，利用LENS技術來制造陶瓷 部件 (ZrO2-Al2O3)，可以抑制裂紋的萌生和擴展，有利于晶粒的細化和材料彌散的均勻性。同沒有采用超聲波進行制備的部件相比較，具有更好的機械性能，包括顯微硬度，耐磨性和較好的壓縮性能。

激光增材制造技術制造陶瓷 部件 (ZrO2-Al2O3) 存在一些問題，這些問題主要是裂紋和不均勻的材料彌散所造成的。為了減少這些問題，研究人員提出一種新穎的超聲波振動輔助激光近凈成形 (LENS)的工藝來制造塊體的 ZrO2-Al2O3陶瓷部件。結果表明裂紋的萌生和裂紋的擴展在LENS的過程中由于超聲波的引入而得到抑制。對于沒有采用超聲波進行制造的陶瓷部件，其裂紋的尺寸隨著激光功率的增加而減少。掃描電鏡分析結果證明引入超聲波之后有利于晶粒的細化和材料彌散的均勻性。由于裂紋的抑制，晶粒細化和材料的彌散的均勻性，采用超聲波輔助的LENS部件同沒有采用超聲波進行制備的部件相比較，具有更好的機械性能，包括顯微硬度，耐磨性和較好的壓縮性能。

圖１. LENS工藝的示意圖

背景
由于ZrO2-Al2O3陶瓷具有優(yōu)異的生物相容性，優(yōu)異的耐腐蝕性能和耐熱性，較高的強度等優(yōu)點，使得ZrO2-Al2O3陶瓷廣泛的應用在生物醫(yī)學，化學和其他高端的工程產業(yè)。傳統(tǒng)的制造陶瓷材料的工藝，包括澆注成型和注射成形，以及隨后的脫脂和燒結。當制造單個或小批量的產品的時候，澆注成型和注射成形就會被認為是一種浪費材料和成本的一種工藝，這是因為這兩種工藝都需要模具來進行制造。此外，在制造復雜形狀的部件的時候，采用傳統(tǒng)的制造工藝還面臨著諸多的問題。面對這些問題的時候，增材制造技術（AM）的發(fā)展和廣泛的應用可以用來制造陶瓷材料。同減材制造相比較，AM增材制造技術直接從３D模型中進行層層堆積制造。在各種不同的AM技術當中，激光增材制造（LAM）被認為是一種最為最有吸引力的用來制造陶瓷材料的技術。LAM工藝，不需要模具和可以促進復雜形狀部件的制造。同SLM技術相比較，LENS呈現出的優(yōu)勢為耗費勞動力少，制造效率高和部件具有再制造能力。

圖１所示為LENS的工藝過程的示意圖。在一開始的時候，基材選擇性的被激光發(fā)射出來的熱所熔化，形成熔池來捕獲和熔化來自粉末輸送結機構的粉末。當激光束移開的時候，熔池由于熱耗散而開始凝固。沉積頭沿著預先設計好的3D圖紙的軌跡進行掃描，形成基材上的第一層。此后，沉積頭上升一個沉積層的高度以備下一層的沉積。這一層作為新的一層的沉積基材的表面開始熔化和形成第二層。相似的工藝不斷重復，直到整個預先設計好的近凈成形的部件形成。

圖2. 超聲波輔助振動在熔化和凝固過程中超聲波的作用和影響

早期有研究報道了采用LENS工藝來制造Al2O3為基礎的陶瓷材料。通過優(yōu)化工藝參數，Balla等人成功的利用LENS技術制造出致密和近凈成形的Al2O3部件。Ma等人研究了粉末在表面的分布形貌在LENS制造薄壁墻Al2O3結構的影響。結果表明LENS制造部件的顯微硬度和粗糙度同采用傳統(tǒng)工藝制造部件的結果幾乎相當。Wu等人分析了激光功率和沉積頭的掃描速度對LENS制造ZrO2-Al2O3薄壁墻結構的影響。在LENS的快速凝固工藝過程中，由于巨大的熱溫度梯度造成的裂紋也比較容易在脆性的陶瓷材料中形成。裂紋的存在導致部件的機械性能變差和降低了部件的服役壽命。此外，ZrO2和Al2O3的局部均勻性也不能得到保證。

圖3. 超聲波輔助振動進行LENS的實驗裝置示意圖

為了抑制裂紋的形成和保證材料沉積的均勻性，在這一研究中，第一次，提出一種新穎的超聲波輔助振動的辦法進行LENS工藝來制造塊體的ZrO2-Al2O3部件.圖2 給出的是超聲波振動在輔助熔化和凝固過程中所產生的作用和影響。伴隨著周期性的正負壓力，兩個非線性的超聲波的作用就會產生，包括聲波的空化和聲流。聲流是一種在液體材料中吸收的的聲波的振蕩所形成的穩(wěn)態(tài)的流動。瞬時的空化包括液體材料中的微小尺寸氣泡的形成，生長和脈動以及崩潰。這一兩個非線性的作用促進了液體材料中的運動，導致直接和最終的影響。這些影響對材料彌散的均勻性，光滑熱溫度梯度和熱應力梯度，減少裂紋和細化晶粒具有十分重要的作用。

圖4. 超聲波振動在不同激光功率的作用下對裂紋抑制的影響

圖5. 在采用和不采用超聲波振動的時候，制造的部件的橫截面采用EDXS面分布進行分析的結果

圖6. 超聲波輔助振動對采用LENS制造部件的壓縮性能的影響（UV:超聲波振動）

主要結論
在這一研究中，一個新穎的超聲波輔助振動的LENS工藝來制造塊體的 ZrO2-Al2O3陶瓷材料。其目標是研究LENS工藝過程中超聲波輔助對制造部件的裂紋抑制，顯微組織和機械性能的影響。主要結論如下：

(1)在LENS工藝中引入超聲波輔助振動所產生的非線性的聲流和瞬時的空化作用對材料彌散的均勻性，光滑熱溫度梯度，減少裂紋，細化晶粒和提高機械性能有極大的幫助。

(2)采用超聲波輔助振動的辦法利用LENS工藝制造的陶瓷部件，其裂紋的萌生和裂紋的擴展在沉積方向得到抑制。這一現象的發(fā)生得益于超聲波所造成的熱應力的減少和晶粒的細化。對于沒有采用超聲波輔助振動的部件，其裂紋的擴展速率可以通過增加激光功率的辦法進行抑制。

(3)在超聲波輔助振動進行LENS制造時，ZrO2的聚集和在Al2O3晶粒邊界的連接，形成網絡狀的顯微結構。這一網絡接結構對通過裂紋橋接來硬化工件，裂紋的反射和裂紋的分支是有益的。在沒有采用超聲波振動的LENS工藝中，ZrO2和 Al2O3 的局部質量比可以高于整體的質量比，其共晶凝固可以發(fā)生在共晶顯微組織的生成處。同沒有采用超聲波輔助制造的部件相比較，采用超聲波輔助的LENS部件呈現出細小的晶粒和更好的材料彌散。

(4)超聲波振動對部件的機械性能，包括顯微硬度，耐磨性，壓縮性能均進行了分析。結果表明超聲波輔助振動的LENS制造的部件具有較高的轄內硬度，較高的耐磨性和更好的壓縮性能。在壓縮測試過程中，超聲波輔助振動的LENS部件的斷裂的界面主要呈現出沿晶界的斷裂，然而，沿晶界的斷裂和傳晶雷文均會發(fā)生在超聲波輔助振動的LENS部件當中。

文章來源：Ultrasonic vibration-assisted laser engineering net shaping of ZrO2-Al2O3 bulk parts: Effects on crack suppression, microstructure, and mechanical properties.Ceramics International,Volume 44, Issue 3, 15 February 2018, Pages 2752-2760,https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2017.11.013