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 阅读：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

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