激光粉末床熔融成型策略对氧化锆陶瓷表面形貌及性能的影响研究学术报告

作者及机构
本研究的通讯作者为Licheng Fan（苏州大学机电工程学院），合作作者包括Bin Fang、Chongqi Cheng及Mingyuan Zhang。研究成果发表于《Ceramics International》期刊第50卷（2024年），出版时间为2024年1月17日。

学术背景
本研究属于增材制造与陶瓷材料交叉领域，聚焦激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, L-PBF）技术制备氧化锆（ZrO₂）陶瓷的成型质量控制。传统氧化锆陶瓷加工方法（如高温烧结、等离子火花烧结等）存在结构简单、成型精度低等问题，而L-PBF技术因其逐点逐层成型特性，可制造复杂几何形状且精度高。然而，现有研究中氧化锆陶瓷成型仍面临粉末飞溅、边缘效应（edge effect）、裂纹及未熔粉末等问题，导致尺寸精度和力学性能下降。因此，本研究旨在通过优化成型策略（包括粉末铺层工艺、扫描间距和扫描策略），提升氧化锆陶瓷的表面形貌、尺寸精度及力学性能。

研究流程与方法
1. 材料准备
- 使用钇稳定氧化锆（3Y–ZrO₂）粉末，粒径分布5–30 μm，通过电子显微镜（EDS）和粒度分析仪（Image Pro）表征其形貌及元素分布。粉末在激光处理前经2小时干燥以去除表面水分。

1. 实验设备

   • 采用自主研发的陶瓷激光3D打印机，配备1064 nm连续光纤激光器（最大功率1500 W）、高速扫描振镜及F-θ场镜。氧化铝（Al₂O₃）基板作为打印基底。
     

2. 成型工艺实验

   • 单道扫描实验：研究粉末层厚度（0.1 mm与0.5 mm）对熔道形貌及粉末飞溅的影响。结果显示，0.1 mm层厚下熔道连续稳定（宽度约0.18 mm），而0.5 mm层厚时熔道变窄（0.11 mm）且未熔粉末增多。
     
   • 多层成型实验：对比传统单次铺粉扫描与粉末床多次铺粉扫描（m=2,3,4）的成型效果。通过超景深显微镜（VHX-7000）定量分析表面轮廓高度差，发现m=2时尺寸精度最佳（高度差降低至192 μm），而m=4时因残余应力导致试样碎裂。
     
   • 扫描参数优化：固定激光功率（70 W）和扫描速度（40 mm/s），研究扫描间距（0.113–0.2 mm）和扫描策略（线性旋转、岛式扫描及优化“Z”策略）的影响。岛式扫描策略表现最优，表面高度差仅184.573 μm。
     

3. 性能表征

   • 物相分析：X射线衍射（XRD）显示，传统成型试样以立方相（c-ZrO₂）为主，而多次铺粉成型试样中单斜相（m-ZrO₂）含量显著增加，归因于重复熔融促进相变。
     
   • 力学性能：纳米压痕测试表明，多次铺粉试样的纳米硬度（~5.50 GPa）和弹性模量（~85.18 GPa）较传统工艺分别提升约228%和53.6%；维氏硬度测试显示硬度提高15.7%（1258.2 HV vs. 1061 HV）。
     

主要结果与逻辑关联
1. 粉末铺层次数：m=2时，重复熔融改善表面平整度，但m=4时残余应力导致试样失效，说明需平衡熔融次数与热应力积累。
2. 扫描间距：0.158 mm间距下尺寸精度最高，过小间距（0.113 mm）因熔道重叠过度引发严重凹陷（高度差达395.593 μm）。
3. 扫描策略：岛式扫描通过短时局部加热减少热累积，而优化“Z”策略（激光在边缘减速区不发射）可降低方向性应力差异，提升精度42.2%。
4. 力学性能提升：多次铺粉工艺通过减少未熔粉末缺陷和相变强化，显著提高材料硬度和模量。

结论与价值
本研究系统优化了L-PBF成型氧化锆陶瓷的工艺参数，提出粉末床多次铺粉扫描结合岛式扫描的策略，解决了粉末飞溅和边缘效应问题。科学价值在于揭示了熔融次数、扫描间距与残余应力的关联机制；应用价值体现在为高精度陶瓷零件（如牙科植入体）的增材制造提供了可行方案。

研究亮点
1. 创新工艺：首次提出粉末床多次铺粉扫描工艺，有效抑制粉末飞溅缺陷。
2. 参数优化：明确扫描间距（0.158 mm）和岛式扫描为最优组合。
3. 性能突破：力学性能提升显著（弹性模量+53.6%，硬度+15.7%），优于传统成型方法。
4. 跨学科意义：为陶瓷材料的高精度增材制造提供了理论依据和工艺范本。

其他价值
研究还发现，大气环境下快速冷凝导致立方相主导，而多次熔融促进单斜相生成，这一现象为相变调控提供了新思路。此外，自主研发的陶瓷激光3D打印机展示了国产设备在高端制造领域的潜力。