粉末床預(yù)熱對(duì)激光粉末床熔化陶瓷基復(fù)合材料裂紋形成的影響

供稿人：陳衍龍 連芩 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

陶瓷基復(fù)合材料（CMC）具有高硬度、耐磨性和抗氧化性，但像金屬陶瓷這樣的陶瓷復(fù)合基材料很難通過(guò)增材制造（AM）來(lái)制造。現(xiàn)在的CMC已經(jīng)可以使用激光粉末床熔融（LPBF）工藝或者選擇性激光熔融（SLM）工藝制造出來(lái)，但最終成形部分普遍存在裂紋和孔隙。

H.S. Maurya團(tuán)隊(duì)為了減少LPBF/SLM加工零件的裂紋等工藝缺陷，在粉末床的每一層進(jìn)行預(yù)熱和熔化兩次激光掃描。H.S. Maurya團(tuán)隊(duì)選擇TiC粉末和430L-FSS粉末作為實(shí)驗(yàn)材料，工藝樣本如圖1所示。使用SLM技術(shù)制備TiC-430 L-FSS基陶瓷，首先，采用激光掃描對(duì)粉末層進(jìn)行低能量密度、高掃描速度的預(yù)熱掃描過(guò)程，然后使用高激光能量密度和低掃描速度的熔融掃描過(guò)程。將制備的樣品研磨和拋光后進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)和相分析。

圖1 不同實(shí)驗(yàn)樣本的不同工藝參數(shù)

不同能量密度的SLM制備TiC-430 L陶瓷的XRD譜圖如圖2所示，分析結(jié)果表明SLM過(guò)程沒(méi)有新的相形成，并且在不同能量密度的預(yù)熱和熔融過(guò)程均未觀察到相組成的變化，只在TiC和430 L兩相中觀察到峰強(qiáng)和峰寬的微小變化。這是由于樣品中織構(gòu)的形成和內(nèi)部應(yīng)變的變化引起的。

圖2 選擇性激光熔融制備的TiC-430 L陶瓷隨能量密度變化的X射線衍射圖

圖3為高激光功率單次掃描制備的樣品微觀結(jié)構(gòu)，裂紋都十分明顯，這是由于激光掃描過(guò)程導(dǎo)致熔池中產(chǎn)生較大的溫度梯度，同時(shí)產(chǎn)生較大的殘余熱應(yīng)力造成的。圖4為不同激光加工參數(shù)下SLM處理的TiC-430 L陶瓷的典型組織，可以看出，無(wú)論預(yù)熱和熔融過(guò)程的能量密度如何變化，在這些微觀結(jié)構(gòu)中都沒(méi)有觀察到微小的裂紋，因?yàn)樵谑褂玫湍芰棵芏葤呙鑼?duì)粉末床進(jìn)行預(yù)熱時(shí)，粉末床溫度升高，防止了熔融期間高能量密度激光對(duì)熔池的突然加熱和冷卻，減少制造過(guò)程中產(chǎn)生的殘余熱應(yīng)力，這會(huì)在制造過(guò)程中消除裂紋的產(chǎn)生。

圖3 高激光功率單次掃描TiC-430 L陶瓷的電子顯微鏡圖像

圖4 TiC-430 L陶瓷在不同能量密度預(yù)熱掃描和熔化掃描的相分布的差異.(a，b)DS1,(c，d)DS2,(e，f)DS3.
由此可見(jiàn)，預(yù)熱粉末層降低了殘余熱應(yīng)力，使制備的陶瓷具有良好的力學(xué)性能，在制備無(wú)裂紋陶瓷中起著重要作用。

參考文獻(xiàn)：
Maurya H.S.,Kosiba K.,Juhani K.,Sergejev F.,Prashanth K.G.. Effect of powder bed preheating on the crack formation and microstructure in ceramic matrix composites fabricated by laser powder-bed fusion process[J]. Additive Manufacturing,2022,58.