飞秒激光增材制造的抗裂氧化铝

《Additive Manufacturing》：Femtosecond Laser Additively Manufactured Crack-Resistant Alumina

　　

摘要

陶瓷材料的激光增材制造（AM）受到材料固有脆性以及连续波（CW）激光加工中固有的强烈宏观热梯度的严重制约，这些因素不可避免地会引起宏观热应力、裂纹和气孔。为了从根本上解决这一限制，本研究提出了一种利用飞秒激光增材制造宽带隙氧化铝（Al₂O₃）陶瓷的新型方法。飞秒激光的超高峰值功率可触发非线性吸收，从而促进高度局域化的能量沉积并显著降低热扩散。系统研究了激光能量密度和重复频率对成形质量的影响。原位高速成像表明，通过优化脉冲重复频率可以有效抑制熔池的不稳定性和气孔的形成。此外，利用超快反射泵浦-探测光谱研究了飞秒激光与氧化铝之间的相互作用过程。最终阐明了飞秒激光增材制造氧化铝过程中的超快熔池动力学和形貌形成机制。在最优参数条件下（能量密度为132 J/mm2，重复频率为800 kHz），我们成功制备了近全致密（>99%）、低裂纹的Al₂O₃构件。飞秒激光促进了非平衡过程，形成了细化晶粒结构，从而获得了卓越的力学性能，包括显微硬度21.4 GPa、抗压强度969.7 MPa和断裂韧性5.1 MPa?m^0.5。此外，成功制造了特征尺寸小于250 μm的复杂薄壁结构，展示了飞秒激光在直接增材制造高精度、低缺陷陶瓷部件方面的潜力。

引言

氧化铝（Al₂O₃）具有优异的性能，表现为高硬度和高强度、出色的耐腐蚀性、高温下保持机械强度、卓越的抗热震性和低热导率。因此，Al₂O₃被广泛用于发动机部件、航空航天零件、切削工具、生物医学植入体以及医用容器和植入体[1]、[2]。尽管Al₂O₃被认为是最有前景的高级结构材料之一，但烧结、等静压、铸造和注射成型等传统制造技术往往存在局限性。这些技术通常无法用于制造具有复杂几何形状或要求高尺寸精度的部件。此外，由于需要模具制造和烧结后加工操作（如切割、研磨），这些工艺通常耗时且成本高昂[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。因此，开发更高效、更经济的复杂陶瓷部件制造方法至关重要。增材制造（AM），也称为三维（3D）打印，是一种无需模具即可生产三维部件的快速原型技术，提供了一种可行的替代方案。这种新方法能够制造具有复杂几何形状的陶瓷部件，并被认为比传统成型方法更高效。在此过程中，陶瓷部件直接从数字模型出发，通过逐步添加材料形成最终构件。该方法不仅缩短了生产时间，还能够制造具有任意几何形状的部件[7]、[8]。

通过立体光刻（SLA）和加压喷雾沉积（PSD）等间接方法生产的陶瓷通常需要额外的工序，包括脱粘或烧结[9]、[10]。这些步骤经常导致制造部件的收缩、密度和纯度的降低，而较长的后处理时间增加了生产周期。相比之下，直接方法通过纯陶瓷粉末的熔融和凝固形成部件，主要包括激光工程净成形（LENS）和选择性激光熔化（SLM）[11]、[12]、[13]。对于直接加工，SLM能够直接从散装粉末制造复杂形状的单体陶瓷。Al₂O₃被归类为宽带隙材料，其带隙远远超过常见激光波长下单个光子的能量[14]。材料中的电子跃迁需要多光子吸收或在强光场下进行带隙降低以实现隧道电离。连续波（CW）激光主要应用于激光粉末床熔融（LPBF）中，通常缺乏足够的能量密度和场强来实现这些条件。因此，Al₂O₃粉末在CW激光下的熔化主要通过线性吸收实现。完全熔化高熔点陶瓷粉末需要极高的CW激光功率。在LPBF过程中，高能聚焦激光束引发快速熔化和陡峭的热梯度。由此产生的热量和流体流动决定了熔池动力学和冷却速率，从而直接控制晶粒生长和最终微观结构[8]、[15]。当热输入没有得到完美控制时，Al₂O₃较差的抗热震性通常会导致裂纹和气孔的形成。因此，其高硬度和脆性使得在不引入缺陷和表面微裂纹的情况下难以通过CW激光制造部件[16]。2013年，Wilkes等人[17]表明，在ZrO₂-Al₂O₃陶瓷的SLM过程中，温度梯度引起的机械应力会导致制备试样内部形成微裂纹。2023年，Shen等人[18]阐明了Al₂O₃/GdAlO₃/ZrO₂三元共晶陶瓷在LPBF过程中裂纹的形成机制和扩展行为。因此，在制造致密的Al₂O₃部件时，在减少孔隙的同时防止裂纹的形成仍然是Al₂O₃增材制造的主要挑战之一。值得注意的是，冷却速率是决定激光增材制造中最终晶粒尺寸的关键因素，因为较快的冷却通常导致更细的晶粒[19]、[20]、[21]。在激光技术中，冷却速率强烈依赖于工艺参数。LPBF通常比激光定向能量沉积（LDED）具有更高的冷却速率，因为其熔池更小且扫描速度更高，这通常使LPBF部件具有更细的微观结构[22]、[23]。此外，飞秒激光增材制造在进一步提高相对于传统CW LPBF和LDED过程的冷却速率方面展现了巨大的潜力。

最近，超快激光为宽带隙材料的增材制造提供了强大的工具。超快激光中的超高峰值功率可在宽带隙陶瓷内引发非线性吸收。这种非平衡能量传递机制显著减少了热扩散，实现了高度局域化的能量沉积[24]、[25]。与传统的CW激光加工相比，脆性Al₂O₃的飞秒激光增材制造有效地实现了晶粒细化和材料硬度提高，同时减轻了因热量过度积累引起的变形和开裂。这种方法提高了增材制造Al₂O₃部件的质量。本研究首次实验研究了飞秒激光能量密度和重复频率对Al₂O₃成形质量的影响，包括轨迹宽度、高度、孔隙率、断裂韧性、抗压强度和显微硬度。通过精确控制飞秒激光参数，传统长脉冲/CW激光加工Al₂O₃中固有的裂纹和气孔缺陷得到了显著减少。成功制备了具有优异微观结构和力学性能的高质量试样。直接增材制造满足工业级质量标准的复杂、高精度陶瓷部件得以实现，从而使陶瓷增材制造能够充分发挥其潜力。

章节摘要

原材料

本研究用于Al₂O₃粉末的飞秒激光增材制造装置的示意图如图1所示。飞秒激光束经光阑进行空间滤波，通过反射镜反射，并通过焦距为200 mm的平凸透镜聚焦到粉床表面。光阑控制光束轮廓并消除外围不规则和低强度分量，从而调节光斑尺寸，通过

能量密度

根据式（1）推导，面能量密度主要受激光功率、扫描速度和扫描遍数的影响，而与激光重复频率和脉冲持续时间无关。为了隔离能量密度对沉积结果的影响，在保持恒定激光重复频率的同时系统性地变化实验参数。这种控制方法使得能够精确评估能量密度对轨迹形貌和缺陷形成的贡献。该

直接飞秒激光加工的潜力

为了评估直接增材制造在制造具有更具挑战性几何形状陶瓷方面的潜力，制造了图16所示的零件。所有打印部件都表现出优异的批次间一致性，在同一或不同构建中均未观察到失效。图16(a)和(b)的横截面视图及相应的EDS元素映射如图8(d)-(e)所示。实现了超过99%的相对密度，且成分均匀，鉴定为纯

结论

本研究实验研究了飞秒激光能量密度和重复频率对Al₂O₃成形质量的影响。通过精确控制激光参数，有效地减轻了传统连续波或长脉冲激光增材制造中固有的裂纹和气孔形成。主要结论如下：

• (1)
  成功制备了高质量、低裂纹的Al₂O₃试样。在优化参数条件下，能量密度为132 J/mm2，重复频率为800 kHz

CRediT作者贡献声明

Jia-Ning Zhu（朱佳宁）：写作–审阅与编辑、可视化、数据管理。Ze Tao（陶泽）：可视化。Guanghui Chen（陈光辉）：验证。Jiaxiang Yin（印家祥）：构思。Zhaopu Yao（姚兆普）：监督。Rui Ma（马睿）：监督、方法论。Di Wang（王迪）：监督、方法论。Sumei Wang（王素梅）：监督、资金获取。Andong Wang（王安东）：资金获取、形式分析。Yinghao Feng（冯英超）：写作–审阅与编辑、写作–初稿、软件、方法论、调查研究。Xiaowei Li（李晓伟）：监督、方法论、资金

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

作者感谢中国国家重点研发计划（编号2024YFB4608800）、国家自然科学基金基础科学中心项目（编号52488301）、国家杰出青年科学基金（编号52325505）、中国教育部基础学科与交叉学科突破计划（编号JYB2025XDXM201）以及国家自然科学基金委面上项目（编号52475321）的支持。北京自然

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