陶瓷材料激光选区熔化成形裂纹产生机理及修复方法

The adoption of better high temperature resistant ceramic materials has become a trend of manufacturing various types of engines and selective laser melting (SLM) technology is going to be an important method for the fabrication of ceramic components applied in hot environment. The project is aimed at studying the relationship between laser - powder, powder - powder, the thermal behavior of molten pool and microstructure and morphology design theory to overcome crack suppression problems, especially for the turbine rotor, combustion chamber and those parts working in hot environment with characters of thin-walled chamber and porous complex structures. With the combination of the tests of high temperature preheating, toughening, self-healing of cracks and finite element thermal analysis, the thermal behavior of molten pool and microstructure morphology, the repair method of cracks is studied to meet the urgent manufacturing requirement of modern engines’ key components applied in hot environment and other complex ceramic parts.

采用耐高温性能较好的陶瓷材料已成为各类发动机制造的一个发展趋势，激光选区熔化(SLM)技术将成为陶瓷热端部件的重要制造方法。本项目针对涡轮转子、燃烧室等薄壁、多孔特征的复杂热端零部件，围绕陶瓷SLM成形中的裂纹抑制技术难题，创新的采用无粘结剂陶瓷浆料为原材料，研究激光-粉末、粉末-粉末相互作用机理，研究激光工艺参数、粉末状态、环境因素对熔池的影响规律，以及熔池状态演化与微观组织形成之间的内在关系，探明裂纹产生机理；研究以陶瓷材料微观特征为约束条件的微观结构及形貌主动设计理论；综合有限元分析、熔池监测和材料制备技术，采用高温预热、陶瓷材料增韧、裂纹原位自愈合方法，突破陶瓷裂纹抑制难题，满足现代发动机热端关键部件及复杂陶瓷零件制造的迫切需求，并进一步满足汽车、火箭等领域复杂零件对新型耐高温材料及加工工艺的迫切需求。

为了满足现代发动机热端关键部件及复杂陶瓷零件制造的迫切需求，本项目在自主搭建的陶瓷 SLM 试验平台上，研究激光－粉末相互作用关系，探索激光能量引起的热冲击和温度梯度对裂纹的影响，以及激光作用下的熔池热行为，研究陶瓷材料性能、晶粒尺寸配比为约束条件的陶瓷材料微观结构及形貌主动设计理论，综合采用降低温度梯度、增韧等手段探索陶瓷裂纹的修补方法，从而解决陶瓷材料 SLM 技术中存在的关键基础问题，形成以下结论：.a)激光功率密度变大使熔池流速增加、液体寿命变长，但温变速率的增大使热应力增大，试件更易出现裂纹。当预热温度变高时，试件最高温增大，熔池尺寸随温度的增加增长越慢、熔池流速增加，温变速率减小试件热应力减小。.b)不完全熔化源于粉末激光能量吸收不足，过量熔道偏移源于熔道在冷却过程中的过大形变，孔隙源于气孔排出不及和液相不足带来的缩孔缩松，裂纹源于过高的温度梯度和组织韧性不足，翘曲变形源于变形应力超出相邻成形层或成形层与基板间的结合强度。.c)通过SLM工艺成功制备了“贝壳”结构及纳米层状结构。研究表明，激光功率为100W时，当扫描速度低于140mm/s时，随着扫描速度的增加，细胞组织尺寸由7.03um减小至2.13um；扫描速度高于140mm/s时，随着扫描速度的提升，共晶层间距λ由153.6nm减小至95.1nm，且1/λ2与扫描速度呈现线性关系。.d)当扫描速度为120mm/s时，SLM氧化铝氧化锆共晶的成形试样的维氏硬度为16.7GPa；断裂韧性随着扫描速度的增加而增加，最高为7.76 MPa·m1/2。.e)Ti-Al-C-Nb混合粉末通过ISLF工艺可实现试样块体形状的成形，ISLF试样开孔率约为20%~44%。微观结构呈多孔主要是ISLF过程中粉末间发生的原位化学反应和高熔池动态粘度引起的球化现象两方面原因导致。