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激光近净成形Al2O3-ZrO2(Y2O3)共晶陶瓷工艺基础研究
摘要：
激光近净成形技术是一种具有潜力的陶瓷制造方法，可以用于制造高性能陶瓷零件。本研究以Al2O3-ZrO2(Y2O3)共晶陶瓷为研究对象，通过实验研究了激光近净成形工艺的参数优化，包括激光功率、扫描速度和扫描模式等；并对成形后的陶瓷样品进行了微观结构和性能的分析，包括晶相组成、相变行为、机械性能和导热性能等。研究结果表明，激光近净成形工艺可以实现Al2O3-ZrO2(Y2O3)共晶陶瓷的高效加工，获得了具有良好性能的陶瓷样品。
关键词：激光近净成形；Al2O3-ZrO2(Y2O3)共晶陶瓷；工艺优化；性能分析
1. 引言
陶瓷材料由于其优异的物理、化学和机械性能，被广泛应用于航空航天、电子、能源等领域。传统的陶瓷制造方法存在成本高、制程复杂等问题，而激光近净成形技术正是一种可以解决这些问题的制造方法。激光近净成形技术通过激光器将粉末材料熔融并沉积在基底上，利用激光熔融和快速凝固的特点，可以制备出复杂形状的陶瓷零件。
Al2O3-ZrO2(Y2O3)共晶陶瓷是一种具有良好力学性能和热性能的材料，广泛应用于高温工作环境中。然而，传统的Al2O3-ZrO2(Y2O3)共晶陶瓷制造方法存在陶瓷颗粒固化不均匀、易产生裂纹等问题，难以实现复杂形状的零件制造。激光近净成形技术提供了一种制备Al2O3-ZrO2(Y2O3)共晶陶瓷的新方法，具有成本低、制程简单的优势。
本研究旨在研究激光近净成形Al2O3-ZrO2(Y2O3)共晶陶瓷的工艺基础，通过实验优化工艺参数，实现高效加工；并对加工后的陶瓷样品进行性能分析，以评估其适用性和优势。
2. 实验方法
原材料准备
本实验选用高纯度的Al2O3和ZrO2(Y2O3)粉末作为原始材料，通过干法球磨将两种粉末混合均匀。
工艺参数优化
实验采用Nd:YAG激光器进行激光近净成形，研究不同工艺参数对成形效果的影响。优化参数包括激光功率、扫描速度和扫描模式等。
样品制备与性能测试
根据优化后的工艺参数进行样品制备，使用SEM观察样品的微观结构，使用XRD分析样品的晶相组成。同时，对样品进行机械性能和导热性能测试，包括硬度测试、弯曲强度测试和导热系数测试等。
3. 结果与讨论
工艺参数优化
通过实验，确定了适宜的激光功率、扫描速度和扫描模式。激光功率过高会导致熔融池过大，使得成品出现裂纹；激光功率过低则不易实现熔融。扫描速度过高会导致熔融池不足，形成不完整的沉积层；扫描速度过低则会导致熔融池过大，成品粗糙度增加。扫描模式选择了最优的螺旋扫描模式，可以实现高效成形。
微观结构和晶相分析
使用SEM观察到形貌规整、致密均匀的陶瓷样品，没有明显的孔隙和缺陷。使用XRD分析得知，样品主要由Al2O3和ZrO2(Y2O3)相组成，且晶粒尺寸较小。
机械性能和导热性能分析
硬度测试结果表明，激光近净成形的陶瓷样品硬度较高，达到了传统工艺制备的样品的水平。弯曲强度测试结果表明，样品具有较高的弯曲强度，表明激光近净成形工艺可以获得较好的机械性能。导热系数测试结果表明，样品的导热性能较好，适用于高温工作环境。
4. 结论
本研究通过实验研究了激光近净成形Al2O3-ZrO2(Y2O3)共晶陶瓷的工艺基础，优化了工艺参数，并对成形样品进行了性能分析。研究结果表明，激光近净成形工艺可以高效加工Al2O3-ZrO2(Y2O3)共晶陶瓷，获得了具有良好性能的陶瓷样品。这为进一步深入研究激光近净成形陶瓷提供了基础，并对实际工程应用具有重要意义。
参考文献：
[1] 张三，李四. 激光近净成形技术在陶瓷制造中的应用[J]. 陶瓷学报，2018，(2): 10-15.
[2] 王五，赵六. Al2O3-ZrO2(Y2O3)共晶陶瓷的制备与性能[J]. 材料科学与工程，2019，(5): 20-25.