南華大學(xué)頂刊：陶瓷增材制造裂紋形成機(jī)理及抑制策略研究進(jìn)展

來源：增材制造碩博聯(lián)盟

期刊《Journal of the European Ceramic Society》近期上線了由南華大學(xué)學(xué)者合作發(fā)表的關(guān)于增材制造的最新研究文章“Research progress on crack formation mechanism and inhibition strategy for ceramic additive manufacturing（陶瓷增材制造裂紋形成機(jī)理及抑制策略研究進(jìn)展）”。
裂紋形成是陶瓷增材制造(CAM)過程中的常見問題。該文綜合比較了間接陶瓷增材制造（DCAM）和直接陶瓷增材制造（IDCAM）技術(shù)的成形特點(diǎn)�？偨Y(jié)了CAM中微觀和宏觀裂紋的形態(tài)和空間分布特征。分析了IDCAM在成形、燒結(jié)和冷卻等不同工藝階段的裂紋形成機(jī)制，主要從應(yīng)力分布和能量釋放的角度討論了DCAM中的裂紋形成機(jī)制。全面總結(jié)了抑制裂紋的方法，包括工藝參數(shù)、輔助能量場(chǎng)和材料成分。提出了CAM中裂紋研究的挑戰(zhàn)和可能的未來趨勢(shì)。

陶瓷材料由于具有耐高溫、耐腐蝕和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、化工、電子、航空航天、生物醫(yī)學(xué)等工業(yè)領(lǐng)域。傳統(tǒng)的陶瓷加工技術(shù)，包括注射成型、干壓成型、凝膠注射成型等，對(duì)模具的依賴性很強(qiáng)，無法滿足集成化、復(fù)雜化、精密化陶瓷產(chǎn)品快速制造的要求。增材制造技術(shù)基于離散堆疊原理，根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的三維實(shí)體模型，將一系列離散材料按預(yù)定軌跡逐層堆疊，從而制造出物理零件。與傳統(tǒng)的陶瓷加工技術(shù)相比，陶瓷增材制造（CAM）技術(shù)打破了傳統(tǒng)陶瓷加工過度依賴模具的局限，無需模具即可快速生產(chǎn)出完全個(gè)性化的陶瓷零件，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自由度高，并被認(rèn)為是構(gòu)成工業(yè)4.0的眾多顛覆性技術(shù)之一。CAM技術(shù)具有材料利用率高、生產(chǎn)周期短、成型精度高、表面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)形狀復(fù)雜的單件、小批量陶瓷零件的定制化生產(chǎn)。然而，由于陶瓷的固有特性和CAM工藝的特點(diǎn)，成形件存在氣孔、裂紋等典型成形缺陷。

圖1.光固化技術(shù)原理圖 (a)SLA工藝示意圖；(b)DLP過程示意圖

圖2. 選擇性激光燒結(jié)工作原理圖

圖3. 送粉直接成型技術(shù)工作原理圖 (a)噴嘴工作位置示意圖；(b)沉積系統(tǒng)和成型示意圖

CAM工業(yè)應(yīng)用滯后的主要原因是成形缺陷過多和成形質(zhì)量差。其中，裂紋缺陷嚴(yán)重影響陶瓷件的力學(xué)性能，是該技術(shù)向工業(yè)實(shí)用化推進(jìn)的最大障礙。目前，現(xiàn)有的CAM裂紋缺陷研究主要集中在實(shí)驗(yàn)方法的裂紋形貌和抑制上。根據(jù)是否需要進(jìn)行后處理，CAM技術(shù)可分為間接陶瓷增材制造（IDCAM）和直接陶瓷增材制造（DCAM）。對(duì)于IDCAM，裂紋缺陷主要是在后續(xù)的高溫脫脂和燒結(jié)過程中產(chǎn)生的。在高溫脫脂過程中，生坯發(fā)生劇烈的體積收縮，進(jìn)而在燒結(jié)件表面或內(nèi)部產(chǎn)生裂紋缺陷。對(duì)于DCAM，陶瓷材料在可見光或近紅外光范圍內(nèi)的低熱震性、弱致密化和低光吸收使得該技術(shù)制備氧化物陶瓷仍然極具挑戰(zhàn)性。在陶瓷粉末與高能量密度激光束的強(qiáng)相互作用下，陶瓷粉末在極短時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷高溫熔化和冷卻凝固過程，由此產(chǎn)生的高溫梯度和冷卻速率導(dǎo)致復(fù)雜的相變和微觀結(jié)構(gòu)變化。此外，這個(gè)過程不可避免地會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力、收縮應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力。在這些應(yīng)力的耦合作用下形成不均勻的應(yīng)力場(chǎng)，容易在樣品表面或內(nèi)部產(chǎn)生不同的微觀和宏觀裂紋缺陷。

圖4. IDCAM陶瓷中的裂紋

圖5. DCAM陶瓷裂紋 (a~c)微裂紋；(d~e)宏觀裂紋

圖6. 陶瓷零件的氣體釋放過程及裂紋分布

該文從形態(tài)特征、形成機(jī)理和抑制方法三個(gè)方面對(duì)IDCAM和DCAM工藝產(chǎn)生的裂紋缺陷進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)和分析。針對(duì)IDCAM，分析了成形、脫脂和燒結(jié)階段裂紋缺陷的形態(tài)特征和形成機(jī)制。對(duì)于DCAM，主要從微觀和宏觀角度描述裂紋形貌特征。著重綜述了應(yīng)力場(chǎng)作用下的裂紋形成機(jī)制。討論了晶界界面能、原子鍵結(jié)合能、孔隙表面自由能與裂紋缺陷之間的科學(xué)關(guān)系。抑制裂紋的方法從工藝參數(shù)、輔助能量場(chǎng)和材料成分三種不同的策略進(jìn)行綜合總結(jié)。最后，提出了CAM中裂紋研究的挑戰(zhàn)和可能的未來趨勢(shì)。

圖7. (a)相變收縮微裂紋; (b)硅基陶瓷微裂紋形貌

圖8. (a)晶間裂紋; (b)孔隙破裂導(dǎo)致裂紋形成過程示意圖

圖9. (a)激光直接成形熔池?zé)岢上? (b)熔池凝固收縮示意圖

CAM技術(shù)已成為制造先進(jìn)陶瓷的主要途徑，但裂紋缺陷已成為限制其應(yīng)用的主要障礙，也成為CAM技術(shù)最重要的研究方向和需要解決的關(guān)鍵問題。本文系統(tǒng)分析了不同CAM工藝中裂紋缺陷的特征和形成機(jī)理，并對(duì)裂紋抑制方法進(jìn)行了綜合探討。主要結(jié)論可歸納如下：

(1) 詳細(xì)闡述了IDCAM和DCAM技術(shù)的工藝原理，并系統(tǒng)地比較了各自在成形精度和力學(xué)性能方面的優(yōu)缺點(diǎn)。分辨率高達(dá)10nm的IDCAM技術(shù)可生產(chǎn)出具有高成型精度和出色表面質(zhì)量的零件。但是，高溫脫脂和燒結(jié)過程中有機(jī)物的熱解容易導(dǎo)致密度低，容易導(dǎo)致陶瓷件密度低和嚴(yán)重的裂紋缺陷。DCAM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)成型和燒結(jié)工藝一體化。但其快速加熱和快速冷卻的特性容易產(chǎn)生熱殘余應(yīng)力，導(dǎo)致成形件產(chǎn)生變形、裂紋、分層等成形缺陷和表面質(zhì)量差。

(2) 總結(jié)了不同CAM工藝裂紋的形態(tài)和空間分布特征。IDCAM工藝的裂紋缺陷分為形成裂紋和燒結(jié)裂紋。成型裂紋在坯件內(nèi)呈橫向、橫向分布，而燒結(jié)裂紋則在坯件內(nèi)部或表面雜亂分布。DCAM中的裂紋缺陷主要分為微觀裂紋和宏觀裂紋，裂紋分布呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。微裂紋集中在晶界和孔隙周圍。鋪粉DCAM的宏觀裂紋主要位于相鄰掃描軌跡的交叉點(diǎn)和沉積層的頂部區(qū)域。送粉DCAM宏觀裂紋的特點(diǎn)是中間裂紋多而密，兩側(cè)長裂紋，傳播深度大。

(3) 詳細(xì)分析了CAM中裂紋的形成和演化機(jī)理。IDCAM中的形成裂紋主要是由漿料固化產(chǎn)生的收縮拉應(yīng)力引起的。IDCAM中的燒結(jié)微裂紋主要來源于燒結(jié)頸、晶界和相變顆粒的斷裂。在有機(jī)物熱解產(chǎn)生的局部壓應(yīng)力、高溫?zé)�結(jié)產(chǎn)生的熱應(yīng)力、冷卻凝固產(chǎn)生的收縮應(yīng)力的耦合作用下，形成的微裂紋從宏觀裂紋繼續(xù)擴(kuò)展。燒結(jié)件。DCAM中的微裂紋主要來源于晶界、內(nèi)部孔隙和相變顆粒。在溫度梯度引起的熱應(yīng)力、冷卻凝固引起的收縮力、凝固區(qū)位移約束引起的約束應(yīng)力等內(nèi)應(yīng)力的耦合作用下，微裂紋擴(kuò)展形成宏觀裂紋。

(4) 全面總結(jié)了工藝參數(shù)、輔助能量場(chǎng)和材料成分等裂紋抑制方法。在IDCAM工藝中，激光功率和孵化距離是成形階段裂紋抑制的關(guān)鍵參數(shù)。IDCAM高溫?zé)崽幚磉^程中，合適的升溫速率和保溫時(shí)間有助于樣品整體受熱均勻，從而降低熱梯度引起的熱應(yīng)力。在DCAM工藝中，合理匹配激光功率和掃描速率，可以顯著降低陶瓷粉末吸收的能量，從而降低零件的內(nèi)應(yīng)力。引入輔助能量場(chǎng)可以調(diào)節(jié)熔池的流動(dòng)，釋放熔池中形成的熱應(yīng)力。通過優(yōu)化材料成分，可以改善材料的熱物理參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化和增韌，從而提高裂紋萌生和擴(kuò)展的阻力。