西工大苏海军团队《JMST》：圆形摆动扫描实现激光定向能量沉积，热历史重构和降低共晶陶瓷裂纹敏感性

1.背景介绍

氧化物共晶陶瓷具有高熔点、优异的高温强度、抗氧化性和组织稳定性，是航空航天领域极具潜力的高温结构材料。激光定向能量沉积(LDED)具有成形效率高、尺寸灵活和近净成形等优势，为大尺寸复杂氧化物共晶陶瓷构件的一体化制备提供了新的技术路径。然而，氧化物陶瓷本征脆性高，LDED过程中剧烈的局部加热、快速冷却和反复热循环容易产生较大的温度梯度与热应力，导致裂纹萌生和扩展。传统线性往复扫描的热输入集中于单一直线路径，壁状样件中容易形成由底部向上扩展的纵向贯穿裂纹。因此，通过扫描路径调节热输入方式和应力分布，是提升氧化物共晶陶瓷成形完整性的关键。

2成果介绍

近日，西北工业大学苏海军教授团队针对激光定向能量沉积Al2O3/GdAlO3(GAP)/ZrO2三元共晶陶瓷的裂纹控制问题，采用原位红外测温和热-力耦合有限元模拟，系统比较了线性往复扫描和圆形摆动扫描下的热循环、层间热影响、温度场和最大主应力分布及裂纹扩展行为。研究表明，圆形摆动扫描能够扩大高温影响范围、增强层间热覆盖并减缓局部再冷却，同时削弱壁状试样底部向上贯通的高拉应力带，使较高应力区域主要局限于壁状两端区域，从而降低纵向贯穿裂纹的形成倾向。相关成果以“Thermal-history and stress redistributions achieving reduced crack susceptibility in laser directed energy deposited Al2O3/GAP/ZrO2eutectic ceramics by circular oscillation scanning”为题，发表于材料领域领军期刊Journal of Materials Science & Technology。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2026.07.021

3图文解析

如图1所示，线性往复扫描使激光沿单一直线路径往返运动，而圆形摆动扫描在整体前进运动的基础上叠加周期性圆周运动，从而扩大单次沉积过程中的热作用范围。采用线性往复扫描制备的壁状样件中出现了由底部向上扩展的明显纵向裂纹；圆形摆动扫描样件中未观察到宏观纵向贯穿裂纹，仅在局部侧边区域出现有限长度的横向裂纹，表明扫描路径改变影响了裂纹的萌生位置和扩展方式。

图1 不同扫描路径及其制备的壁状Al2O3/GAP/ZrO2共晶陶瓷宏观形貌：(a) 线性往复扫描路径；(b) 圆形摆动扫描路径；(a1-a2) 线性往复扫描样件；(b1-b2) 圆形摆动扫描样件

为准确获得陶瓷沉积过程中的真实温度，首先利用红外测温并结合激光悬浮区熔过程中再辉现象标定材料发射率。原位红外图像显示的局部热循环结果（图2）表明，两种扫描策略具有明显不同的热作用模式。线性往复扫描经过监测位置时主要形成单次快速升温和快速冷却过程，而圆形摆动扫描在单次沉积过程中产生多个连续温度峰。沉积第二层时，第一层中心位置在圆形摆动扫描下高于熔点的持续时间由线性往复扫描下不足1 s延长至接近10 s，说明摆动路径使已沉积材料经历了多次局部热覆盖和更长时间的高温作用。如图3所示，在壁体中部代表性位置，圆形摆动扫描使材料由峰值温度冷却至熔点的平均冷却速率由330.91 ℃/s降低至173.82 ℃/s。后续沉积层引起的再加热温升由167.38 ℃提高至1076.03 ℃，再加热后的平均冷却速率由58.52 ℃/s降低至33.67 ℃/s。这表明圆形摆动扫描不仅减缓了直接激光作用后的冷却过程，也显著增强了层间再加热，并使随后的再冷却过程更加缓和。

图2 不同扫描策略下第一层几何中心位置的原位温度演化及局部热循环特征

图3 线性往复扫描和圆形摆动扫描制备壁状共晶陶瓷过程中不同特征位置的原位温度-时间曲线及平均冷却速率

图4所示温度场模拟从空间尺度揭示了上述热历史差异。沉积至第5层时，线性往复扫描和圆形摆动扫描下的最高温度分别为2013 ℃和2341 ℃；沉积至第10层时，两者分别提高至2186 ℃和2703 ℃。圆形摆动扫描形成了更宽、更厚的高温区域，并增强了对已沉积层的热覆盖和热积累。尽管熔池边缘仍存在较高局部温度梯度，但其横向温度过渡更加平缓，有利于改善多层沉积过程中的热循环状态。

图4 不同扫描策略下多层沉积温度场及熔池宽度方向温度和温度梯度分布

图5应力场结果表明，影响裂纹扩展的关键不仅在于局部应力数值，还在于高拉应力区域的位置及其空间连通性。线性往复扫描下，壁体底部和中心区域形成相互连通的高拉应力区，并在纵向截面中表现为由底部向上延伸的连续高应力带。圆形摆动扫描明显削弱了该贯通应力路径，使中心区域应力降低，并将较高应力区域主要局限于侧边和端部。图6所示特征路径上的应力分布进一步验证了这一变化。线性往复扫描下，壁体底部中心区域的最大主应力约为255 MPa，而圆形摆动扫描下相同区域降低至约75 MPa；圆形摆动扫描过程中多数特征位置的最大主应力在大部分沉积阶段低于150 MPa。高拉应力区由底部和内部的连续分布转变为侧边局部集中，与裂纹由底部起始纵向扩展转变为侧边局部横向扩展的实验现象一致。

在揭示圆形摆动扫描裂纹调控机制的基础上，研究进一步分析了激光功率和扫描速度对热-力响应的影响。当扫描速度保持300 mm/min时，激光功率由300 W提高至500 W，第5层和第10层最高温度分别由2341 ℃和2703 ℃提高至3363 ℃和3507 ℃，表明提高功率能够显著增强高温区和层间热覆盖，但同时会扩大拉应力集中区域。当激光功率保持300 W时，扫描速度由300 mm/min提高至600 mm/min，第10层最高温度由2703 ℃降低至2277 ℃，整体最大主应力由608 MPa降低至186 MPa。由此可见，较强热覆盖有利于熔化连续性和层间结合，却可能加剧侧边区域的拉应力集中；较低热积累能够缓解应力集中，但也可能削弱层间热耦合。圆形摆动扫描参数设计需要在充分熔化、层间热覆盖和应力控制之间取得平衡。

图5 不同扫描策略下壁状共晶陶瓷整体及不同截面的最大主应力分布

图6 不同扫描策略下特征位置最大主应力演化及底部特征路径应力分布

为验证圆形摆动扫描在大尺寸陶瓷构件制备中的适用性，图7展示了制备的尺寸为55 mm × 55 mm × 9 mm的Al2O3/GAP/ZrO2块体共晶陶瓷样件，样件整体未观察到宏观裂纹。其横截面和纵截面均呈现细小且较为均匀的象形文字状和层片状共晶组织，平均共晶间距均小于200 nm。该结果表明，圆形摆动扫描不仅能够降低氧化物共晶陶瓷的开裂倾向，也能够为大尺寸块体样件的稳定成形和共晶组织细化提供有利条件。

图7 圆形摆动扫描制备的大尺寸无宏观裂纹块体共晶陶瓷及其细化共晶组织

4结论与展望

本研究结合原位红外测温和热-力耦合数值模拟，揭示了圆形摆动扫描降低激光定向能量沉积Al2O3/GAP/ZrO2共晶陶瓷裂纹敏感性的内在机制。圆形摆动扫描通过扩大高温作用区域、增强层间再加热并减缓局部再冷却过程，实现了沉积热历史的重构；同时削弱了壁体底部向上贯通的高拉应力带，使应力集中区域向局部侧边和端部转移，从而抑制了纵向贯穿裂纹的形成。

本研究同时明确了圆形摆动扫描参数调控过程中热覆盖与拉应力集中之间的平衡关系，并成功制备了大尺寸无宏观裂纹块体共晶陶瓷样件。相关结果为氧化物共晶陶瓷激光增材制造的扫描路径设计、工艺窗口优化及大尺寸复杂构件稳定制备提供了理论和技术支撑。

5通讯作者简介

苏海军，西北工业大学长聘二级教授、博士生导师。国家级领军人才，国家优青，中国有色金属创新争先计划获得者。入选国家首批“香江学者”计划、陕西省“青年科技新星”、陕西省冶金青年科技标兵、陕西省金属学会优秀科技工作者，担任陕西高校青年创新团队学术带头人、陕西重点科技创新团队带头人和先进高温合金陕西省高校重点实验室主任。长期从事先进定向凝固技术与理论及新材料研究，涉及高温合金、超高温复合陶瓷、有机薄膜太阳能电池、生物医用陶瓷材料，以及定向凝固和激光增材制造技术与理论等。主持包括国家重点研发计划项目，国家自然基金重点、优青等7项国家基金在内的30余项国家及省部级重要科研项目，在Nano Energy，Advanced Functional Materials，Nano Letters，Composites part B: Engineering，Additive manufacturing等众多知名期刊发表SCI论文200余篇。获授权中国发明专利60余项以及3项美国发明专利。参编专著3部。获陕西省科学技术一等奖、二等奖，中国交通运输协会科学技术二等奖，中国材料研究学会科学技术二等奖，宁波市科技进步一等奖，陕西高校科学技术研究优秀成果特等奖，陕西省冶金科学技术一等奖，全国有色金属优秀青年科技奖和陕西青年科技奖等多项奖励。

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文作者团队支持。

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