1 、【导读】

先进科学技术的发展对机械零部件的综合性能和结构效率提出了更高的要求。功能梯度材料（Functionally graded materials, FGM）可以通过微观结构、孔隙度或成分的梯度变化来实现功能的梯度转变，进而在同一个零件的不同部位发挥所需的性能。因此，在复杂工况下，功能梯度材料受到越来越多的关注。功能梯度陶瓷（Functionally graded ceramics, FGC）作为一种以陶瓷为组成材料的功能梯度材料，它能够结合不同陶瓷的特殊性能，如耐高温、耐磨性和生物相容性等，在航空航天、生物医学、军事防护、机械加工等领域有着广泛的应用前景。Al₂O₃-ZrO₂作为陶瓷梯度材料的一种，既能保留Al₂O₃本身高强度、高硬度的力学性能和低成本的应用优势，又可以兼顾ZrO₂的增韧机制和耐冲击特性。未来Al₂O₃-ZrO₂FGC有希望应用于轻型装甲用防护材料、火箭发动机的冷却推力室等领域。

目前，FGC的制备方法主要包括粉末冶金、等离子喷涂、立体光刻、挤压成型等，这些工艺大都在后续烧结过程中协调不同陶瓷材料之间的微观结构和性能方面存在一定难度。此外，现有FGC的致密化过程基本上是在粉末的固态状态下实现的，梯度层之间的界面很明显，不利于性能的均匀转变。因此，开发工艺简单、材料成分过渡更均匀的新型制备方法是十分必要的。激光定向能量沉积技术以其独特的成形工艺特点成为目前功能梯度材料研究中的主流技术之一。然而，目前利用激光定向能量沉积技术制备的功能梯度材料多数集中在金属-金属、金属-陶瓷型材料体系，关于陶瓷-陶瓷型梯度材料的研究还有待于进一步深入和完善。

2 、【成果掠影】

近日，大连理工大学吴东江教授团队报道了一种制备Al₂O₃-ZrO₂陶瓷功能梯度材料的方法，区别于传统的先成型后烧结的成形工艺，该方法利用材料成分设计灵活和高工艺柔性的激光定向能量沉积技术，在成形过程中通过CNC数控程序实时改变Al₂O₃、ZrO₂两种粉末材料的送粉量，从而实现功能梯度构件的直接成形。共制备了包含直接过渡在内的四种不同梯度过渡的Al₂O₃-ZrO₂陶瓷功能梯度构件，验证了梯度过渡方式在缓和界面应力，促进微观组织、主要组成元素、力学性能平滑过渡方面有显著效果。实验结果表明，直接过渡样件中宏观界面显著，界面区承受因材料间热物理性质差异而引起的拉应力，产生明显的纵向裂纹，几乎没有结合强度。在界面附近Al、Zr两种主要元素变化趋势呈现为阶跃式的急剧变化。梯度过渡方式可以有效抑制裂纹，避免微观组织和元素的阶跃式变化。其中，AZ25、AZ20 FGC样件的力学性能实现了近线性的平滑转变。经过三点抗弯实验后，FGC样件纯Al₂O₃与梯度区的结合界面处断裂模式以穿晶断裂为主，结合强度显著提高，界面处最大弯曲强度提升到160.19 MPa。相关论文以题为“Direct additive manufacturing of melt growth Al₂O₃-ZrO₂functionally graded ceramics by laser directed energy deposition”发表在Journal of the European Ceramic Society上。

3、【 核心创新点】

1. 采用激光定向能量沉积技术实现了熔体自生Al₂O₃-ZrO₂陶瓷功能梯度材料的制备。
2. 梯度过渡有效地抑制了直接过渡界面处的裂纹，实现了微观结构、元素成分、力学性能的平滑过渡，显著提高了界面结合强度。

4 、【数据概览】

图一、Al₂O₃-ZrO₂陶瓷梯度构件

(a) AZ100，Al₂O₃-ZrO₂直接过渡；

(b) AZ50，梯度区由50 wt%Al₂O₃+50 wt%ZrO₂组成；

(c) AZ25，样件自纯Al₂O₃侧开始，Al₂O₃含量依次递减25 wt%，直至过渡到纯ZrO₂；

(d) AZ20，样件自纯Al₂O₃侧开始，Al₂O₃含量依次递减20 wt%，直至过渡到纯ZrO₂；

(e) 四组样件纯Al₂O₃段与梯度区域结合界面处裂纹渗透探伤结果。

图二、Al₂O₃-ZrO₂陶瓷梯度构件微观组织过渡特性

(I)

(II)

(III)

(IV)

(I) AZ100微观组织演变，(a) 纯Al₂O₃侧组织；(b) 界面处组织过渡；(c)-(g) 界面处组织经历离异共晶-亚共晶-过共晶转变；(h) ZrO₂侧组织；

(II) AZ50微观组织演变，(a) 结合界面处组织；(b)-(d) 亚共晶组织；(e) 共晶组织；(f)-(h) 过共晶组织；

(III) AZ25微观组织演变，(a) 结合界面处组织；(b)-(h) 亚共晶组织；(i) 共晶组织；(j)-(l) 过共晶组织；

(IV) AZ20微观组织演变，(a) 结合界面处组织；(b)-(g) 亚共晶组织；(h) 共晶组织；(i)-(l) 过共晶组织。

图三、Al₂O₃-ZrO₂陶瓷梯度构件中Al、Zr元素过渡特性

(a)-(a₃) AZ100样件中Al、Zr元素在Al₂O₃与ZrO₂结合界面处面扫描及整体分布线扫描结果；

(b)-(b₃) AZ50样件中Al、Zr元素在纯Al₂O₃与梯度区结合处面扫描及整体分布线扫描结果；

(c)-(c₃) AZ25样件中Al、Zr元素在纯Al₂O₃与梯度区结合处面扫描及整体分布线扫描结果；

(d)-(d₃) AZ20样件中Al、Zr元素在纯Al₂O₃与梯度区结合处面扫描及整体分布线扫描结果。

图四、Al₂O₃-ZrO₂陶瓷梯度构件力学性能过渡特性

(a)-(d) AZ100、AZ50、AZ25、AZ20样件显微硬度分布；

(e)-(h) AZ100、AZ50、AZ25、AZ20样件断裂韧性分布。

图五、Al₂O₃-ZrO₂陶瓷梯度构件界面抗弯强度及断口形貌

(a)-(d) AZ100、AZ50、AZ25、AZ20样件在纯Al₂O₃与梯度区结合界面处三点抗弯断口形貌；

(e) AZ100在过渡界面处断裂宏观示意图；

(f) AZ50、AZ25、AZ20样件三点抗弯强度数值。

5 、【成果启示】

综上所述，本文为陶瓷-陶瓷型功能梯度材料的制备提供了新的成形手段。随着成形过程中送粉量的连续变化，所制备的陶瓷梯度样件在组织、元素、性能分布上实现了平滑过渡，梯度区域无显著界面，且纯Al₂O₃与梯度区结合良好。这种成形方法有利于推动陶瓷梯度材料朝着梯度成分、结构设计以及成形工艺更加多样化的方向发展。随着激光定向能量沉积技术和陶瓷功能梯度材料设计相关研究的进一步深入，有望在未来制备出大尺寸、更高结合强度的陶瓷功能梯度材料，进一步拓宽其应用领域。

文献链接：“Direct additive manufacturing of melt growth Al₂O₃-ZrO₂functionally graded ceramics by laser directed energy deposition”（Journal of the European Ceramic Society, 2022, 10.1016/j.jeurceramsoc.2022.01.034）

本文由作者供稿。