摘要
功能梯度陶瓷（Functionallygradedceramics,FGC）能够结合不同陶瓷材料的高硬度、耐冲击、隔热性等性能，在满足结构要求的同时兼顾性能的多样化需求，在军事防护、生物医学等领域显示出巨大的应用潜力。其中，Al2O3-ZrO2梯度陶瓷材料属于研究较为广泛的一类FGC，有希望应用于燃气轮机热端部件、轻型装甲用防护材料及航天器用抗冲击材料等领域。然而，不同的陶瓷材料在相同的烧结工艺下很难达到理想的致密化状态。相比于传统先成型后烧结的FGC制备方法，直接激光沉积由于具有材料成分可实时调节、无需烧结后处理工序等优点，在制备高性能三维陶瓷梯度构件方面具有独特的技术优势。本文基于直接激光沉积技术制备了Al2O3-ZrO2陶瓷功能梯度材料，分析了梯度过渡方式及成形工艺对梯度陶瓷宏微观特征、主要元素、力学性能等梯度特性分布规律的影响。文章的研究内容及主要结论如下： （1）利用直接激光沉积工艺制备了直接过渡和梯度过渡的Al2O3-ZrO2陶瓷梯度构件。研究了不同过渡方式下材料的宏微观特征及力学性能的分布特征和形成机理，并在此基础上综合考虑选出了最佳的梯度过渡方式。结果表明，梯度过渡能够抑制直接过渡界面处的裂纹，显著提高了界面结合强度，实现了微观结构、元素成分、力学性能的平滑过渡。其中，AZ25梯度件表征界面结合强度的性能弯曲强度可以达到160.19MPa。 （2）研究了扫描速度对AZ25样件中涉及到的各比例复合陶瓷宏微观特性和力学性能的影响。结果表明，加快扫描速度一方面会导致输入熔池的激光能量降低，熔池体积变小，样件宏观直径减小。同时也加快了凝固速率，温度梯度降低，内部热应力减小，抑制了裂纹缺陷的产生。组织特征方面，扫描速度的加快使α-Al2O3初生相生长方向逐渐倾向于随机分布，枝晶主干尺寸减小，晶粒细化且分布均匀。但过高的扫描速度（500mm/min）会增加样件内部出现组织缺陷（气孔、裂纹）的风险。 （3）利用变扫描速度成形工艺制备了AZ25陶瓷功能梯度材料，对材料的梯度特性进行了表征与分析。结果表明，变扫描速度成形能够有效改善恒工艺条件下成形的AZ25梯度样件界面处的宏观纵向裂纹、微观气孔裂纹缺陷等问题，使界面处的抗弯强度提高至194.42MPa。对于梯度区高ZrO2含量位置的纵向裂纹也有一定的抑制效果。由于变扫描速度工艺的选择是基于梯度区各成分比例工艺优化的结果，这有利于梯度区各比例复合材料充分发挥各自的最佳性能，所以梯度区力学性能数值分布范围更大。 本文基于直接激光沉积技术成功实现了Al2O3-ZrO2陶瓷功能梯度材料的直接成形，得到了成形质量高、梯度特性过渡优异的梯度过渡方式和成形工艺过程，为Al2O3-ZrO2陶瓷梯度材料体系过渡方式的设计和成形工艺过程的确定提供了理论指导和技术借鉴。
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