大连理工大学机械工程学院科研团队在熔体自生陶瓷激光增材制造领域取得创新性突破

近期，我校机械工程学院牛方勇副教授团队在熔体自生氧化物陶瓷激光增材制造领域取得创新性突破。团队针对激光定向能量沉积制备三元共晶熔体自生陶瓷过程中易出现组织不均匀及孔隙率高的问题，创新性提出原位微波-激光复合增材制造新方法，实现了Al₂O₃/YAG/ZrO₂三元共晶陶瓷微观组织均匀化与高致密化协同调控。相关成果以“原位微波-激光复合增材制造纳米Al2O3/YAG/ZrO2三元共晶熔体自生陶瓷：组织均匀化与高致密化调控”(In-situ microwave–laser hybrid additive manufacturing of nano Al₂O₃/YAG/ZrO₂ternary eutectic melt-growth ceramics: control of microstructural homogeneity and high densification)为题发表于工程制造领域顶级期刊《极端制造》(International Journal of Extreme Manufacturing)。

图1.双机械手协同原位微波-激光复合增材制造系统

熔体自生氧化物共晶陶瓷具有优异的耐高温性能、高硬度和化学稳定性，在航空发动机热端部件等极端服役场景中具有重要应用前景。然而，传统激光增材制造过程中熔池凝固极快，容易导致气孔滞留、组织定向生长等问题，成为激光增材制造复杂高性能陶瓷构件的重要技术瓶颈。围绕这一问题，团队搭建了双机械手协同原位微波——激光复合增材制造系统，将微波体积加热与激光定向能量沉积实时耦合，为熔池凝固行为调控和缺陷抑制提供了新思路。

图2.相关研究结果

该研究表明原位微波场可显著改善构件的凝固环境与缺陷演化行为。随着微波吸收增强，样件层间粗化带状组织逐步转变为规则有序的层片状共晶结构，组织均匀性明显提升，ZrO₂相还表现出织构随机化的演变特征。尤其是在孔隙抑制方面，原位微波辅助展现出突出优势。CT三维重构结果显示，构件内部孔隙率由常规成形条件下的0.76%降至高微波吸收率条件下的0.11%，且大尺寸孔隙缺陷得到有效消除。研究认为，致密化效果一方面得益于微波体积加热及局部“热点”效应降低熔体黏度促进气泡逸出；另一方面，微波场与激光诱导种子电子相互作用，可在熔池内部引发气体电离形成等离子体，有效降低了熔池中的气体含量。这一过程显著抑制了样件中孔隙缺陷的形成，为力学性能提升奠定了基础。所制备样件弯曲强度较无微波辅助成形样件提升22.2%。该研究为高性能复杂熔体自生氧化物陶瓷构件的直接增材制造提供了新的技术路径，也为极端环境用先进陶瓷的组织调控、缺陷抑制和性能提升提供了重要支撑。

图3.媒体报道相关内容

该研究得到了国家自然科学基金“基于微波整体高温辅助的熔体自生陶瓷激光直接增材制造技术研究”项目支持，机械工程学院牛方勇副教授为通讯作者，博士研究生于学鑫为第一作者。成果发表后，先后受到Tech Briefs、EurekAlert!、VoxelMatters和Engineering.com等知名海外科技媒体和国际科研新闻平台关注。其中国际工程技术媒体Tech Briefs（原NASATech Briefs）对该研究进行了专访报道。作为SAE International旗下SAE Media Group的重要媒体平台，Tech Briefs专注于将顶尖科研技术转化为实际工程应用，在国际工程技术传播领域具有重要影响力。与此同时，研究成果还被由美国科学促进会（AAAS）运营的EurekAlert!收录和发布。作为国际重要科研新闻传播平台，EurekAlert!长期面向全球高校、科研机构、期刊出版社、政府部门及媒体记者发布科研进展。此外，研究成果也得到增材制造权威国际媒体VoxelMatters新闻网站和国际工程门户网站Engineering.com的关注报道。相关报道体现了该成果在国际工程技术界和科研传播领域受到的持续关注。

来源：机械工程学院
编辑：程昕 常思萌