粉末床預熱對激光粉末床熔化陶瓷基復合材料裂紋形成的影響

供稿人：陳衍龍 連芩 供稿單位：西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室

陶瓷基復合材料（CMC）具有高硬度、耐磨性和抗氧化性，但像金屬陶瓷這樣的陶瓷復合基材料很難通過增材制造（AM）來制造。現在的CMC已經可以使用激光粉末床熔融（LPBF）工藝或者選擇性激光熔融（SLM）工藝制造出來，但最終成形部分普遍存在裂紋和孔隙。

H.S. Maurya團隊為了減少LPBF/SLM加工零件的裂紋等工藝缺陷，在粉末床的每一層進行預熱和熔化兩次激光掃描。H.S. Maurya團隊選擇TiC粉末和430L-FSS粉末作為實驗材料，工藝樣本如圖1所示。使用SLM技術制備TiC-430 L-FSS基陶瓷，首先，采用激光掃描對粉末層進行低能量密度、高掃描速度的預熱掃描過程，然后使用高激光能量密度和低掃描速度的熔融掃描過程。將制備的樣品研磨和拋光后進行微觀結構和相分析。

圖1 不同實驗樣本的不同工藝參數

不同能量密度的SLM制備TiC-430 L陶瓷的XRD譜圖如圖2所示，分析結果表明SLM過程沒有新的相形成，并且在不同能量密度的預熱和熔融過程均未觀察到相組成的變化，只在TiC和430 L兩相中觀察到峰強和峰寬的微小變化。這是由于樣品中織構的形成和內部應變的變化引起的。

圖2 選擇性激光熔融制備的TiC-430 L陶瓷隨能量密度變化的X射線衍射圖

圖3為高激光功率單次掃描制備的樣品微觀結構，裂紋都十分明顯，這是由于激光掃描過程導致熔池中產生較大的溫度梯度，同時產生較大的殘余熱應力造成的。圖4為不同激光加工參數下SLM處理的TiC-430 L陶瓷的典型組織，可以看出，無論預熱和熔融過程的能量密度如何變化，在這些微觀結構中都沒有觀察到微小的裂紋，因為在使用低能量密度掃描對粉末床進行預熱時，粉末床溫度升高，防止了熔融期間高能量密度激光對熔池的突然加熱和冷卻，減少制造過程中產生的殘余熱應力，這會在制造過程中消除裂紋的產生。

圖3 高激光功率單次掃描TiC-430 L陶瓷的電子顯微鏡圖像

圖4 TiC-430 L陶瓷在不同能量密度預熱掃描和熔化掃描的相分布的差異.(a，b)DS1,(c，d)DS2,(e，f)DS3.
由此可見，預熱粉末層降低了殘余熱應力，使制備的陶瓷具有良好的力學性能，在制備無裂紋陶瓷中起著重要作用。

參考文獻：
Maurya H.S.,Kosiba K.,Juhani K.,Sergejev F.,Prashanth K.G.. Effect of powder bed preheating on the crack formation and microstructure in ceramic matrix composites fabricated by laser powder-bed fusion process[J]. Additive Manufacturing,2022,58.