学术研究报告：选择性激光熔化制备氧化钇稳定氧化锆的相变机制与微观结构研究

作者及发表信息
本研究的通讯作者为昆明理工大学的Xiaowei Zhang与Yehua Jiang，合作单位包括昆明理工大学材料科学与工程学院及江苏永年激光成形技术有限公司。研究成果发表于2019年的期刊*Materials Research Express*（Volume 6, Article 015402），标题为《Selective Laser Melting of Yttria-Stabilized Zirconia》。

学术背景
氧化钇稳定氧化锆（YSZ, Yttria-Stabilized Zirconia）是一种高性能陶瓷材料，因其优异的力学性能、生物相容性及高温稳定性，被广泛应用于牙科修复和工业领域。传统减材制造技术（subtractive manufacturing）在加工复杂结构的YSZ时面临成本高、工具损耗大等问题。增材制造（additive manufacturing, AM）技术，尤其是选择性激光熔化（selective laser melting, SLM），为复杂几何形状的陶瓷制备提供了新思路。然而，YSZ的高熔点（约2700°C）和激光吸收特性对SLM工艺提出了挑战。本研究旨在探索1μm波长激光下YSZ的SLM成形机制，分析不同工作气体（空气与氩气）对相变和微观结构的影响，并优化工艺参数以实现完全熔化。

研究流程与方法
1. 材料与设备
- 材料：采用球形YSZ粉末（含3mol% Y₂O₃），通过80°C干燥2小时提升流动性。
- 设备：使用永年激光YLMS-120型SLM设备（Nd:YAG光纤激光器，波长1067 nm，最大功率200W），基板为钛合金，预热至100°C以减少热损失。

1. 实验设计

   • 工艺参数优化：激光功率（120–180W）、扫描速度（80–200 mm/s）、层厚（30μm）、扫描间距（80μm），采用蛇形扫描策略。
     
   • 工作气体对比：分别在空气和氩气环境下制备5×5×5 mm³和10×10×5 mm³的立方体样品。
     
   • 后处理：部分样品在1450°C空气中热处理2小时，升温速率6°C/min。
     

2. 表征方法

   • 密度测试：阿基米德法测定相对密度（理论密度6.10 g/cm³）。
     
   • 相分析：X射线衍射（XRD, Rigaku）检测单斜相（monoclinic）与四方相（tetragonal）的转变。
     
   • 形貌观察：扫描电镜（SEM, Zeiss Evo18）和光学显微镜（OM）分析表面裂纹、未熔颗粒及孔隙分布。
     
   • 硬度测试：HR-150洛氏硬度计（载荷150 kN）。
     

3. 创新性方法

   • 多道扫描实验：为解决YSZ高熔点问题，尝试高功率（190W）、高扫描速度（400 mm/s）下的四次重复扫描策略。
     

主要结果
1. 相变与颜色变化
- 氩气环境：样品呈灰色，XRD显示单斜相几乎消失，形成缺氧型ZrO₁.₉₅，热处理后恢复白色并出现单斜相峰。
- 空气环境：样品始终为白色，单斜相含量较高，热处理后单斜相进一步增加。
- 机制解释：氩气中缺氧抑制了四方相→单斜相的转变，而热处理时空气中的氧促进了相变。

1. 工艺参数优化

   • 线性能量密度（LED, P/V）>187.5 J/m时出现烧蚀；优化参数为P=120W、V=200 mm/s。
     

2. 微观结构缺陷

   • SEM显示未熔颗粒、孔洞和裂纹，归因于高斯激光能量分布不均导致的温度梯度。相对密度仅49.9%，硬度38.6 HRC，表明颗粒间结合力弱。
     

3. 多道扫描效果

   • 多道扫描可实现完全熔化，但相邻轨迹间存在不连续，需更高功率（如500W）提升效率。
     

结论与价值
1. 科学意义
- 揭示了SLM过程中YSZ的相变机制，阐明了工作气体（氧分压）对相组成的调控作用。
- 证实空气环境下SLM的可行性，避免了氩气的使用成本。

1. 应用价值
   
   • 为牙科修复中复杂结构YSZ部件的直接成形提供了工艺基础，减少后处理步骤。
     
   • 多道扫描策略为高熔点陶瓷的完全熔化提供了新思路。
     

研究亮点
1. 创新发现
- 首次系统比较了空气与氩气对SLM制备YSZ相变的影响，提出氧分压是关键调控因素。
2. 方法创新
- 采用1μm波长激光（传统多用CO₂激光10.6μm），改善了YSZ对激光的吸收效率。
3. 挑战与展望
- 需进一步优化能量输入（如提高功率）以提升致密度，并研究表面粗糙度的控制方法。

其他有价值内容
- 研究指出，工业中应避免使用氮气作为工作气体，因其会与YSZ反应生成金色ZrN（通过XRD与拉曼光谱证实）。
- 基板材料选择钛合金（Ti）的原因是其与Zr的化学相容性，可减少界面扩散（引用Sun et al. 2011的研究支持）。

（报告总字数：约1500字）