南华大学顶刊：陶瓷增材制造裂纹形成机理及抑制策略研究进展(2)
时间：2023-12-22 10:46 来源：增材制造硕博联盟 作者：admin 阅读：次
图6. 陶瓷零件的气体释放过程及裂纹分布
该文从形态特征、形成机理和抑制方法三个方面对IDCAM和DCAM工艺产生的裂纹缺陷进行了系统的总结和分析。针对IDCAM，分析了成形、脱脂和烧结阶段裂纹缺陷的形态特征和形成机制。对于DCAM，主要从微观和宏观角度描述裂纹形貌特征。着重综述了应力场作用下的裂纹形成机制。讨论了晶界界面能、原子键结合能、孔隙表面自由能与裂纹缺陷之间的科学关系。抑制裂纹的方法从工艺参数、辅助能量场和材料成分三种不同的策略进行综合总结。最后，提出了CAM中裂纹研究的挑战和可能的未来趋势。
图7. (a)相变收缩微裂纹; (b)硅基陶瓷微裂纹形貌
图8. (a)晶间裂纹; (b)孔隙破裂导致裂纹形成过程示意图
图9. (a)激光直接成形熔池热成像; (b)熔池凝固收缩示意图
CAM技术已成为制造先进陶瓷的主要途径，但裂纹缺陷已成为限制其应用的主要障碍，也成为CAM技术最重要的研究方向和需要解决的关键问题。本文系统分析了不同CAM工艺中裂纹缺陷的特征和形成机理，并对裂纹抑制方法进行了综合探讨。主要结论可归纳如下：
(1) 详细阐述了IDCAM和DCAM技术的工艺原理，并系统地比较了各自在成形精度和力学性能方面的优缺点。分辨率高达10nm的IDCAM技术可生产出具有高成型精度和出色表面质量的零件。但是，高温脱脂和烧结过程中有机物的热解容易导致密度低，容易导致陶瓷件密度低和严重的裂纹缺陷。DCAM技术可以实现成型和烧结工艺一体化。但其快速加热和快速冷却的特性容易产生热残余应力，导致成形件产生变形、裂纹、分层等成形缺陷和表面质量差。
(2) 总结了不同CAM工艺裂纹的形态和空间分布特征。IDCAM工艺的裂纹缺陷分为形成裂纹和烧结裂纹。成型裂纹在坯件内呈横向、横向分布，而烧结裂纹则在坯件内部或表面杂乱分布。DCAM中的裂纹缺陷主要分为微观裂纹和宏观裂纹，裂纹分布呈现出明显的规律性。微裂纹集中在晶界和孔隙周围。铺粉DCAM的宏观裂纹主要位于相邻扫描轨迹的交叉点和沉积层的顶部区域。送粉DCAM宏观裂纹的特点是中间裂纹多而密，两侧长裂纹，传播深度大。
(3) 详细分析了CAM中裂纹的形成和演化机理。IDCAM中的形成裂纹主要是由浆料固化产生的收缩拉应力引起的。IDCAM中的烧结微裂纹主要来源于烧结颈、晶界和相变颗粒的断裂。在有机物热解产生的局部压应力、高温烧结产生的热应力、冷却凝固产生的收缩应力的耦合作用下，形成的微裂纹从宏观裂纹继续扩展。烧结件。DCAM中的微裂纹主要来源于晶界、内部孔隙和相变颗粒。在温度梯度引起的热应力、冷却凝固引起的收缩力、凝固区位移约束引起的约束应力等内应力的耦合作用下，微裂纹扩展形成宏观裂纹。
(4) 全面总结了工艺参数、辅助能量场和材料成分等裂纹抑制方法。在IDCAM工艺中，激光功率和孵化距离是成形阶段裂纹抑制的关键参数。IDCAM高温热处理过程中，合适的升温速率和保温时间有助于样品整体受热均匀，从而降低热梯度引起的热应力。在DCAM工艺中，合理匹配激光功率和扫描速率，可以显着降低陶瓷粉末吸收的能量，从而降低零件的内应力。引入辅助能量场可以调节熔池的流动，释放熔池中形成的热应力。通过优化材料成分，可以改善材料的热物理参数，从而实现晶粒细化和增韧，从而提高裂纹萌生和扩展的阻力。
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