激光近净成形Al2O3-ZrO2(Y2O3)共晶陶瓷工艺基础研究

摘要

Al2O3-ZrO2(Y2O3)共晶陶瓷具有优异的机械性能、耐腐蚀性、抗氧化性和高温稳定性，在航空航天、海洋化工等领域的极端环境中有着巨大的应用潜力。近年来，美国桑迪亚国家实验室提出了一种以激光熔覆和快速成形技术为基础的激光近净成形技术(LENSTM)，该技术能够利用粉末原材料直接成形出形状复杂的三维实体，脱离了传统加工所需要的模具和刀具，极大地缩短了生产周期。因此，激光近净成形技术在快速制备高性能共晶陶瓷结构件方面具有一定优势，特别在航空航天关键零部件制造领域有着广阔的发展前景。
　　本文通过开展Al2O3-ZrO2(Y2O3)共晶陶瓷激光近净成形实验，研究激光功率对成形质量的影响规律，获得成形质量较好的激光功率范围;通过有限元方法建立成形过程数值模型，分析温度场和应力场分布规律，揭示结构件裂纹产生、扩展机理;利用X射线衍射仪、扫描电镜、维氏硬度计等工具对样件进行相成分、微观组织、硬度和断裂韧性等特征分析。主要研究内容如下:
　　(1)以Al2O3-ZrO2(Y2O3)陶瓷粉末为原材料，利用激光近净成形的方法进行成形实验，研究激光功率对成形件成形质量的影响规律，为提高共晶陶瓷结构件成形质量与成形过程激光功率的优化提供指导;
　　(2)利用有限元ANSYS软件建立25层Al2O3-ZrO2(Y2O3)共晶陶瓷薄壁件模型，分析激光近净成形过程，获得成形过程温度场和应力场分布规律，揭示激光功率对气孔和裂纹缺陷的影响规律;
　　(3)通过改变粉末比例，得到共晶与偏共晶成分的陶瓷薄壁件，分析不同成分陶瓷件微观组织形貌特征，揭示激光近净成形方法与传统方法制备的共晶陶瓷微观组织的异同点，并评价陶瓷件的相对密度、显微维氏硬度、断裂韧性特征。
　　本文提出了利用激光近净成形技术直接成形Al2O3-ZrO2(Y2O3)共晶陶瓷结构方法，初步探索了激光功率对成形质量的影响规律，分析了激光近净成形共晶陶瓷微观组织、硬度及断裂韧性等特征，具有一定的理论意义和实际价值，凸显了激光近净成形共晶陶瓷的优势。