南華大學頂刊：陶瓷增材制造裂紋形成機理及抑制策略研究進展

來源：增材制造碩博聯(lián)盟

期刊《Journal of the European Ceramic Society》近期上線了由南華大學學者合作發(fā)表的關于增材制造的最新研究文章“Research progress on crack formation mechanism and inhibition strategy for ceramic additive manufacturing（陶瓷增材制造裂紋形成機理及抑制策略研究進展）”。
裂紋形成是陶瓷增材制造(CAM)過程中的常見問題。該文綜合比較了間接陶瓷增材制造（DCAM）和直接陶瓷增材制造（IDCAM）技術的成形特點�？偨Y了CAM中微觀和宏觀裂紋的形態(tài)和空間分布特征。分析了IDCAM在成形、燒結和冷卻等不同工藝階段的裂紋形成機制，主要從應力分布和能量釋放的角度討論了DCAM中的裂紋形成機制。全面總結了抑制裂紋的方法，包括工藝參數(shù)、輔助能量場和材料成分。提出了CAM中裂紋研究的挑戰(zhàn)和可能的未來趨勢。

陶瓷材料由于具有耐高溫、耐腐蝕和良好的化學穩(wěn)定性等特點，被廣泛應用于機械、化工、電子、航空航天、生物醫(yī)學等工業(yè)領域。傳統(tǒng)的陶瓷加工技術，包括注射成型、干壓成型、凝膠注射成型等，對模具的依賴性很強，無法滿足集成化、復雜化、精密化陶瓷產品快速制造的要求。增材制造技術基于離散堆疊原理，根據(jù)預先設計的三維實體模型，將一系列離散材料按預定軌跡逐層堆疊，從而制造出物理零件。與傳統(tǒng)的陶瓷加工技術相比，陶瓷增材制造（CAM）技術打破了傳統(tǒng)陶瓷加工過度依賴模具的局限，無需模具即可快速生產出完全個性化的陶瓷零件，結構設計自由度高，并被認為是構成工業(yè)4.0的眾多顛覆性技術之一。CAM技術具有材料利用率高、生產周期短、成型精度高、表面質量好等優(yōu)點，可實現(xiàn)形狀復雜的單件、小批量陶瓷零件的定制化生產。然而，由于陶瓷的固有特性和CAM工藝的特點，成形件存在氣孔、裂紋等典型成形缺陷。

圖1.光固化技術原理圖 (a)SLA工藝示意圖；(b)DLP過程示意圖

圖2. 選擇性激光燒結工作原理圖

圖3. 送粉直接成型技術工作原理圖 (a)噴嘴工作位置示意圖；(b)沉積系統(tǒng)和成型示意圖

CAM工業(yè)應用滯后的主要原因是成形缺陷過多和成形質量差。其中，裂紋缺陷嚴重影響陶瓷件的力學性能，是該技術向工業(yè)實用化推進的最大障礙。目前，現(xiàn)有的CAM裂紋缺陷研究主要集中在實驗方法的裂紋形貌和抑制上。根據(jù)是否需要進行后處理，CAM技術可分為間接陶瓷增材制造（IDCAM）和直接陶瓷增材制造（DCAM）。對于IDCAM，裂紋缺陷主要是在后續(xù)的高溫脫脂和燒結過程中產生的。在高溫脫脂過程中，生坯發(fā)生劇烈的體積收縮，進而在燒結件表面或內部產生裂紋缺陷。對于DCAM，陶瓷材料在可見光或近紅外光范圍內的低熱震性、弱致密化和低光吸收使得該技術制備氧化物陶瓷仍然極具挑戰(zhàn)性。在陶瓷粉末與高能量密度激光束的強相互作用下，陶瓷粉末在極短時間內經歷高溫熔化和冷卻凝固過程，由此產生的高溫梯度和冷卻速率導致復雜的相變和微觀結構變化。此外，這個過程不可避免地會產生熱應力、收縮應力和內應力。在這些應力的耦合作用下形成不均勻的應力場，容易在樣品表面或內部產生不同的微觀和宏觀裂紋缺陷。

圖4. IDCAM陶瓷中的裂紋

圖5. DCAM陶瓷裂紋 (a~c)微裂紋；(d~e)宏觀裂紋

圖6. 陶瓷零件的氣體釋放過程及裂紋分布

該文從形態(tài)特征、形成機理和抑制方法三個方面對IDCAM和DCAM工藝產生的裂紋缺陷進行了系統(tǒng)的總結和分析。針對IDCAM，分析了成形、脫脂和燒結階段裂紋缺陷的形態(tài)特征和形成機制。對于DCAM，主要從微觀和宏觀角度描述裂紋形貌特征。著重綜述了應力場作用下的裂紋形成機制。討論了晶界界面能、原子鍵結合能、孔隙表面自由能與裂紋缺陷之間的科學關系。抑制裂紋的方法從工藝參數(shù)、輔助能量場和材料成分三種不同的策略進行綜合總結。最后，提出了CAM中裂紋研究的挑戰(zhàn)和可能的未來趨勢。

圖7. (a)相變收縮微裂紋; (b)硅基陶瓷微裂紋形貌

圖8. (a)晶間裂紋; (b)孔隙破裂導致裂紋形成過程示意圖

圖9. (a)激光直接成形熔池熱成像; (b)熔池凝固收縮示意圖

CAM技術已成為制造先進陶瓷的主要途徑，但裂紋缺陷已成為限制其應用的主要障礙，也成為CAM技術最重要的研究方向和需要解決的關鍵問題。本文系統(tǒng)分析了不同CAM工藝中裂紋缺陷的特征和形成機理，并對裂紋抑制方法進行了綜合探討。主要結論可歸納如下：

(1) 詳細闡述了IDCAM和DCAM技術的工藝原理，并系統(tǒng)地比較了各自在成形精度和力學性能方面的優(yōu)缺點。分辨率高達10nm的IDCAM技術可生產出具有高成型精度和出色表面質量的零件。但是，高溫脫脂和燒結過程中有機物的熱解容易導致密度低，容易導致陶瓷件密度低和嚴重的裂紋缺陷。DCAM技術可以實現(xiàn)成型和燒結工藝一體化。但其快速加熱和快速冷卻的特性容易產生熱殘余應力，導致成形件產生變形、裂紋、分層等成形缺陷和表面質量差。

(2) 總結了不同CAM工藝裂紋的形態(tài)和空間分布特征。IDCAM工藝的裂紋缺陷分為形成裂紋和燒結裂紋。成型裂紋在坯件內呈橫向、橫向分布，而燒結裂紋則在坯件內部或表面雜亂分布。DCAM中的裂紋缺陷主要分為微觀裂紋和宏觀裂紋，裂紋分布呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。微裂紋集中在晶界和孔隙周圍。鋪粉DCAM的宏觀裂紋主要位于相鄰掃描軌跡的交叉點和沉積層的頂部區(qū)域。送粉DCAM宏觀裂紋的特點是中間裂紋多而密，兩側長裂紋，傳播深度大。

(3) 詳細分析了CAM中裂紋的形成和演化機理。IDCAM中的形成裂紋主要是由漿料固化產生的收縮拉應力引起的。IDCAM中的燒結微裂紋主要來源于燒結頸、晶界和相變顆粒的斷裂。在有機物熱解產生的局部壓應力、高溫燒結產生的熱應力、冷卻凝固產生的收縮應力的耦合作用下，形成的微裂紋從宏觀裂紋繼續(xù)擴展。燒結件。DCAM中的微裂紋主要來源于晶界、內部孔隙和相變顆粒。在溫度梯度引起的熱應力、冷卻凝固引起的收縮力、凝固區(qū)位移約束引起的約束應力等內應力的耦合作用下，微裂紋擴展形成宏觀裂紋。

(4) 全面總結了工藝參數(shù)、輔助能量場和材料成分等裂紋抑制方法。在IDCAM工藝中，激光功率和孵化距離是成形階段裂紋抑制的關鍵參數(shù)。IDCAM高溫熱處理過程中，合適的升溫速率和保溫時間有助于樣品整體受熱均勻，從而降低熱梯度引起的熱應力。在DCAM工藝中，合理匹配激光功率和掃描速率，可以顯著降低陶瓷粉末吸收的能量，從而降低零件的內應力。引入輔助能量場可以調節(jié)熔池的流動，釋放熔池中形成的熱應力。通過優(yōu)化材料成分，可以改善材料的熱物理參數(shù)，從而實現(xiàn)晶粒細化和增韌，從而提高裂紋萌生和擴展的阻力。