学术动态丨苏海军教授团队《JMST》最新研究成果：圆形摆动扫描降低氧化物共晶陶瓷增材制造裂纹敏感性

氧化物共晶陶瓷具有高熔点、优异的高温强度、抗氧化性和组织稳定性，是航空航天热端构件极具潜力的高温结构材料。激光定向能量沉积(LDED)具有成形效率高、尺寸适应性强和近净成形等优势，为大尺寸、复杂氧化物共晶陶瓷构件的一体化制备提供了新的技术路径。然而，氧化物陶瓷本征脆性较高，LDED过程中的快速局部加热、冷却和反复热循环容易产生较大的温度梯度与热应力，引发裂纹萌生和扩展。传统线性往复扫描的热输入集中于单一直线路径，壁状样件中易形成由底部向上扩展的纵向贯穿裂纹。因此，通过扫描路径调控热输入的时空分布与应力演化，是提高氧化物共晶陶瓷成形完整性的关键。

近日，西北工业大学凝固技术全国重点实验室苏海军教授团队针对激光定向能量沉积Al₂O₃/GdAlO₃(GAP)/ZrO₂三元共晶陶瓷的裂纹控制问题，结合发射率标定的原位红外测温和热-力耦合有限元模拟，系统比较了线性往复扫描与圆形摆动扫描下的热循环、层间热影响、温度场、最大主应力分布和裂纹扩展行为。研究发现，圆形摆动扫描可扩大高温作用范围、增强层间再加热并减缓局部再冷却，同时削弱由壁体底部向上贯通的高拉应力带，使较高应力主要局限于侧边和端部，从而降低纵向贯穿裂纹的形成倾向。研究进一步揭示了热覆盖与拉应力集中之间的工艺平衡，并成功制备出尺寸为55mm×55 mm×9mm的无宏观裂纹块体共晶陶瓷。相关成果以“Thermal history and stress redistributions achieving reduced crack susceptibility in laser-directed energy-deposited Al₂O₃/GAP/ZrO₂ eutectic ceramics by circular oscillation scanning”为题，发表于《Journal of Materials Science & Technology》。论文通讯单位为西北工业大学凝固技术全国重点实验室，通讯作者为苏海军教授，第一作者为姜浩博士。

为获得真实沉积温度，研究团队利用红外测温，并结合激光悬浮区熔过程中的再辉现象标定材料发射率。原位温度结果（图2）显示，线性往复扫描经过监测位置时主要形成单次快速升温和冷却，而圆形摆动扫描在一次沉积过程中产生多个连续温度峰。沉积第二层时，第一层中心位置高于熔点的持续时间由不足1s延长至9.8s，说明摆动路径显著增强了局部热覆盖。

如图3所示，在壁体中部代表性位置，圆形摆动扫描使材料从峰值温度冷却至熔点的平均冷却速率由330.91℃/s降至173.82℃/s；后续沉积层引起的再加热温升由167.38℃增至1076.03 ℃，再加热后的平均冷却速率由58.52 ℃/s降至33.67℃/s。由此可见，圆形摆动扫描既减缓了直接激光作用后的冷却，也增强了层间再加热并缓和随后的再冷却过程。

图3. 线性往复扫描和圆形摆动扫描制备壁状共晶陶瓷过程中不同特征位置的原位温度-时间曲线及平均冷却速率

图4所示温度场模拟从空间尺度进一步揭示了两种扫描策略的热历史差异。沉积至第5层时，线性往复扫描和圆形摆动扫描下的最高温度分别为2013℃和2341℃；沉积至第10层时，两者分别升至2186℃和2703℃。圆形摆动扫描形成了更宽、更厚的高温区域，增强了对已沉积层的热覆盖和热积累，其横向温度过渡也更加平缓。

图5所示应力场结果表明，裂纹扩展不仅取决于局部应力数值，还受到高拉应力区域位置及空间连通性的控制。线性往复扫描下，壁体底部和中心区域形成相互连通的高拉应力区，并在纵向截面上呈现由底部向上延伸的连续高应力带。圆形摆动扫描明显削弱了这一贯通应力路径，使中心区域应力降低，并将较高应力主要限制在侧边和端部。

图6所示特征路径和位置上的应力演化进一步验证了应力重分布机制。线性往复扫描下，壁体底部中心区域的最大主应力约为255MPa；采用圆形摆动扫描后，同一区域降至约75 MPa，多数内部特征位置在大部分沉积阶段低于150 MPa。高拉应力区由底部和内部的连续分布转为侧边局部集中，与实验观察到的裂纹由底部起始纵向扩展转变为侧边局部横向扩展相一致。

为验证圆形摆动扫描在大尺寸陶瓷构件制备中的适用性，研究团队制备了55mm×55mm×9 mm的Al₂O₃/GAP/ZrO₂块体共晶陶瓷（图7），样件整体未观察到宏观裂纹。其横截面和纵截面均呈现细小、较均匀的象形文字状及层片状共晶组织，平均共晶间距小于200 nm，表明该策略能够兼顾大尺寸稳定成形与共晶组织细化。

图7. 圆形摆动扫描制备的大尺寸无宏观裂纹块体共晶陶瓷及其细化共晶组织

本研究结合原位红外测温和热-力耦合数值模拟，揭示了圆形摆动扫描降低激光定向能量沉积Al₂O₃/GAP/ZrO₂共晶陶瓷裂纹敏感性的内在机制。圆形摆动扫描通过扩大高温作用区域、增强层间再加热和减缓局部再冷却，实现沉积热历史重构；同时削弱壁体底部向上贯通的高拉应力带，并使应力集中向局部侧边和端部转移，从而抑制纵向贯穿裂纹。

研究还明确了圆形摆动扫描参数调控中充分熔化、层间热覆盖与拉应力控制之间的平衡关系。相关结果为氧化物共晶陶瓷激光增材制造的扫描路径设计、工艺窗口优化及大尺寸复杂构件稳定制备提供了理论依据和技术支撑，也为后续实现热历史与应力场协同调控奠定了基础。

苏海军，西北工业大学长聘二级教授、博士生导师，国家级领军人才、国家优秀青年科学基金获得者、中国有色金属创新争先计划获得者。入选国家首批“香江学者”计划、陕西省“青年科技新星”，获评陕西省冶金青年科技标兵、陕西省金属学会优秀科技工作者，担任陕西高校青年创新团队学术带头人、陕西重点科技创新团队带头人和先进高温合金陕西省高校重点实验室主任。长期从事先进定向凝固技术与理论及新材料研究，研究方向涉及高温合金、超高温复合陶瓷、有机薄膜太阳能电池、生物医用陶瓷材料，以及定向凝固和激光增材制造技术与理论。主持国家重点研发计划项目及国家自然科学基金重点项目、优秀青年科学基金等30余项国家和省部级重要科研项目。在Nano Energy、Advanced Functional Materials、Nano Letters、Composites Part B: Engineering、Additive Manufacturing等期刊发表SCI论文200余篇，获授权中国发明专利60余项、美国发明专利3项，参编专著3部。获陕西省科学技术一等奖、二等奖，中国交通运输协会科学技术二等奖，中国材料研究学会科学技术二等奖，宁波市科技进步一等奖，陕西高校科学技术研究优秀成果特等奖，陕西省冶金科学技术一等奖，全国有色金属优秀青年科技奖和陕西青年科技奖等奖励。

图文 | 姜浩

编辑 | 冯芳

责编 | 何峰

审核 | 禹亮