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大连理工大学：激光定向能量沉积法直接增材制备Al2O3–TiCp功能梯度陶瓷(2)

时间:2024-01-12 09:18  来源:AM home 增材制造之家   作者:admin   点击:次

    晶体形貌图7A-D描绘了样品沿沉积方向的纵向截面的微观结构。AT10样品沿晶界表现出一些微观缺陷，微小的白色颗粒相间歇性分布，沿沉积方向的柱状晶体构成初级晶相。使用线性截距方法计算了三个复合区域的晶粒尺寸，AT10为25 μm，AT20为22 μm，AT30为20 μm。在梯度区向AT30区过渡的过程中，TiCp的存在逐渐增强了柱状晶体边界处的不规则性。许多未熔融的TiCp颗粒变得可见，晶体之间出现连续的白色物质相。在图7C，D中更突出地观察到沿柱状晶体晶界的白相的存在，从零星分布逐渐过渡到连续分布。当TiCp浓度达到约30 wt.%时，晶间白色物质相形成连接。此时，边界的起伏变得明显。4AT样本具有更平滑的过渡。图 7B–D 表明，当未熔融的 TiCp 颗粒数量增加时，Al2O3的晶界矩阵显示不规则。与 2AT 和 3AT 类似，Al 的柱状晶体2O3在存在 TiCp 颗粒的情况下显示等轴化。

显微硬度和断裂韧性  具有不同过渡路径的梯度材料的显微硬度和断裂韧性分布如图12和图13所示。与 Al 2O3（390 GPa）相比TiCp（462 GPa）具有更高的弹性模量和更强的抗外界压力变形的能力。因此，随着TiCp含量的增加，具有不同转变路径的样品的显微硬度呈一致的上升趋势。三组梯度转变样品的显微硬度值分布在大致相同的 1700–2000 HV 范围内。在此范围内，它们各自趋势的差异并不显著。AT30样品梯度区域的显微硬度值保持在稳定水平（1900 HV），4AT实现了材料性能的平滑过渡。各组梯度材料的断裂韧性也呈逐渐增加的变化趋势，在AT30（约5.5 MPa m1/2）处达到最大值).

耐磨性 大多数陶瓷材料不能塑性变形，无加工硬化现象，摩擦磨损过程中主要发生脆性变形。4AT梯度样品不同区域的磨损深度如图14所示。随着TiCp含量沿梯度转变方向的增加，试样的磨损深度逐渐减小，试样的磨损深度从0.775减小到0.402 μm，耐磨性提高了约48.13%。梯度样品的耐磨性得到改善，部分原因是TiCp颗粒（2800 HV）的硬度远高于Al2O3。此外，TiCp颗粒与基体牢固结合，显著提高了样品的耐磨性。另一方面，当TiCp含量较低时，可能会有较大的晶体从整个材料内部拉出。随着TiCp含量的增加，未熔合颗粒的含量增加，样品内部的基体微观结构细化，导致样品的耐磨性增加。

本文采用TiCp增强Al2O3使用LDED制备了具有3种不同过渡路径的梯度陶瓷样品。讨论了梯度陶瓷样品的微观结构和力学性能，以验证LDED制备梯度陶瓷材料的可行性。结论如下：

(1)梯度样品纵向截面中未熔融的TiCp颗粒沿沉积方向呈现明显的梯度分布，受Ti元素含量增加的影响，外观由深灰色变为黄白色。

(2) Al2O3的微观结构柱状晶体由规则致密柱状晶体转变为不规则形貌，在梯度样品的沉积方向上，未熔合TiCp的比例显著增加。

(3)梯度陶瓷可实现区域可控的材料特性。通过增加沉积方向的TiCp含量，AZ30区的耐磨性比AT0区提高了48.13%，硬度提高了12.62%，断裂韧性提高了9.48%。

【相关论文】
Direct additive manufacturing of Al2O3–TiCp functionally graded ceramics by laser-directed energy deposition

【相关链接】
https://doi.org/10.1111/jace.19653 (责任编辑：admin)
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