陶瓷结构件双激光束低应力近净成形机理与方法研究

以激光近净成形氧化铝、氧化锆等新型陶瓷结构件为目标，针对激光近净成形陶瓷结构件过程中温度梯度大、易产生裂纹和表面形貌较难控制等难题,提出基于双激光束作用条件下温度梯度控制的低应力激光近净成形新原理和新方法，给出熔池流动与成形质量的关联特征。建立双激光束作用条件下材料温度场分布特征模型和熔池形成及凝固过程理论模型，通过理论分析和工艺试验，提出以温度梯度控制为基础的低应力激光成形方法，揭示熔池流动特征、熔池凝固机制以及其对成形质量的影响规律，在此基础上研究陶瓷材料的裂纹缺陷产生及扩展机理，提出双激光束近净成形陶瓷结构件的裂纹抑制技术，并优化成形工艺方案。通过对陶瓷结构件双激光束低应力近净成形原理与方法的深入系统研究，为我国生产高质量的新型陶瓷结构件提供拥有自主知识产权的近净成形理论和技术。对提高我国高性能陶瓷零件的制备水平，促进航天、医学和微电子等高新技术的发展，具有重要的理论意义和应用价值。

陶瓷材料因具有卓越的强度、硬度、弹性模量、耐磨耐蚀及耐热性能，而被广泛应用于航空航天、生物医学、电子信息及机械制造等国防科技及国民经济领域。陶瓷结构传统的烧结制备工艺难以实现致密复杂陶瓷结构的快速制备，限制了陶瓷材料优异性能的发挥。本项目将激光近净成形技术应用于陶瓷构件的直接制备，以Al2O3、Al2O3/ZrO2、Al2O3/YAG等陶瓷材料体系为对象，研究了陶瓷材料直接激光近净成形的工艺可行性、参数优化、温度场及应力场分布规律、微观组织及性能特征等内容，分析了陶瓷构件激光近净成形过程中的微观组织形成机制及裂纹产生机理，提出了基于外场耦合的低应力陶瓷构件成形方法，实现了致密无裂纹陶瓷典型几何构件的直接制备。利用优化工艺制备的陶瓷材料的相对致密度可达99.8%，显微硬度达19 GPa，断裂韧性达到4.79 MPa·m1/2，达到并超过了同种材料传统热压烧结的水平。本项目提出的陶瓷构件直接激光近净成形技术为快速低成本制备高性能陶瓷提供了一种重要的选择，更大限度地发挥了陶瓷材料的优异性能，推动了陶瓷材料在更极端工况及更广泛领域的应用。