陶瓷增材制造技術(shù)具有材料利用率高、生產(chǎn)周期短、成型精度高、表面質(zhì)量好等優(yōu)點，可實現(xiàn)形狀復(fù)雜的單件、小批量陶瓷零件的定制化生產(chǎn)。然而，由于陶瓷的固有特性和增材制造工藝的特點，成型件存在氣孔、裂紋等典型成型缺陷。

造成陶瓷增材制造工業(yè)應(yīng)用滯后的主要原因是成形缺陷過多和成形質(zhì)量差。其中，裂紋缺陷嚴重影響陶瓷件的力學(xué)性能，是該技術(shù)向工業(yè)實用化推進的最大障礙。目前，現(xiàn)有的陶瓷增材制造裂紋缺陷研究主要集中在實驗方法的裂紋形貌和抑制上。根據(jù)是否需要進行后處理，陶瓷增材制造技術(shù)可分為間接陶瓷增材制造和直接陶瓷增材制造。

對于間接成形方法，裂紋缺陷主要是在后續(xù)的高溫脫脂和燒結(jié)過程中產(chǎn)生的。在高溫脫脂過程中，生坯發(fā)生劇烈的體積收縮，進而在燒結(jié)件表面或內(nèi)部產(chǎn)生裂紋缺陷。對于直接成形方法，在陶瓷粉末與高能量密度激光束的強相互作用下，陶瓷粉末在極短時間內(nèi)經(jīng)歷高溫熔化和冷卻凝固過程，由此產(chǎn)生的高溫梯度和冷卻速率導(dǎo)致復(fù)雜的相變和微觀結(jié)構(gòu)變化。此外，這個過程不可避免的會產(chǎn)生熱應(yīng)力、收縮應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力。在這些應(yīng)力的耦合作用下形成不均勻的應(yīng)力場，容易在樣品表面或內(nèi)部產(chǎn)生不同的微觀和宏觀裂紋缺陷。

1.?間接陶瓷增材制造裂紋的形態(tài)特征

根據(jù)裂紋形成階段，間接陶瓷增材制造中的裂紋缺陷分為成型裂紋和燒結(jié)裂紋。成型裂紋主要是由于生坯成型階段收縮應(yīng)力超過聚合物結(jié)合強度造成的，形貌表現(xiàn)為水平和十字形裂紋，尺寸為納米到微米量級。燒結(jié)裂紋出現(xiàn)在高溫?zé)崽幚黼A段，裂縫開口大，方向性不明顯，橫向、縱向和斜向裂紋在燒結(jié)件表面交聯(lián)分布，嚴重影響陶瓷件的力學(xué)性能。

間接陶瓷增材制造中的裂紋：(a) 形成裂紋；(b) 燒結(jié)裂紋

間接陶瓷增材制造燒結(jié)前后對比

根據(jù)裂紋的形態(tài)特征，間接陶瓷增材制造裂紋缺陷可分為微裂紋和宏觀裂紋。微裂紋主要分布在晶界或孔隙周圍，形貌表現(xiàn)為晶界和孔隙裂紋，晶界裂紋以沿晶開裂為主。另外，在裂紋擴展的作用下，裂紋擴展過程中可能發(fā)生能量、一定角度的偏轉(zhuǎn)、分叉或與其他微裂紋橋接。在過大的裂紋擴展能作用下，晶粒被部分微裂紋直接穿透，形成穿晶裂紋?？紫读鸭y起源于孔隙周圍較大的應(yīng)力集中，在孔隙周圍無序分布。

2.?直接陶瓷增材制造裂紋的形態(tài)特征

根據(jù)裂紋擴展方向，宏觀裂紋可分為橫向裂紋和縱向裂紋。粉末床式直接陶瓷增材制造中的裂紋主要起源于沉積層與未熔化粉末的交匯處，并延伸至沉積層的中心區(qū)域，形態(tài)以橫向和縱向裂紋為主，局部有少量斜向裂紋。橫向裂紋垂直于激光掃描方向，縱向裂紋平行于激光掃描方向，橫向和縱向裂紋交聯(lián)并繼續(xù)擴展形成斜向裂紋。

直接陶瓷增材制造中的裂紋：(a-c)微裂紋；(d-e) 宏觀裂縫

采用激光直接制造的三元共晶陶瓷

在多通道單層沉積實驗中，相鄰掃描線相交處容易出現(xiàn)縱向長裂紋。送粉式直接陶瓷增材制造的宏觀裂紋主要集中在熔覆部位的兩側(cè)和中間區(qū)域?？v向裂紋主要起源于沉積層與基體的交界處，并沿沉積方向擴展。橫向裂紋起源于沉積物兩側(cè)區(qū)域的邊緣，并沿激光掃描方向傳播，集中在沉積物高度中部以下的區(qū)域。中間裂隙短而密，集中在沉積部位的中部區(qū)域，呈以主裂隙為主的縱向裂隙。熔覆部位兩側(cè)裂紋數(shù)量較少，裂紋擴展深度大，主要包括縱裂紋和橫裂紋。

3. 陶瓷增材制造工業(yè)化應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)

目前的陶瓷技術(shù)已經(jīng)取得了一些突破和進步。然而，大尺寸無裂紋陶瓷零件的制備和工業(yè)化應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)，主要集中在以下幾個方面：

(1)目前建立的開裂判據(jù)主要是基于殘余應(yīng)力的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停梢栽谝欢ǔ潭壬戏从碂嵛锢韰?shù)、激光功率密度、最大成型尺寸對裂紋萌生的影響，但仍存在一定的局限性。從能量的角度為多組分材料和不同的技術(shù)建立一個通用的開裂準則是一個巨大的挑戰(zhàn)。需要綜合考慮微觀晶界界面能、晶內(nèi)原子鍵合能和孔隙表面自由能，建立統(tǒng)一的開裂判據(jù)。

(2)陶瓷增材制造過程中裂紋的時空演化過程難以通過實驗和理論方法獲得和確定，如何利用多尺度數(shù)值模擬方法（如晶體塑性模型有限元法、相場法、邊界元法等）準確模擬多物理場耦合下陶瓷增材制造工藝的裂紋萌生位置和擴展路徑面臨挑戰(zhàn)。

光固化3D打印制造的陶瓷

(3)在直接陶瓷增材制造工藝中無法避免因溫度梯度過大而導(dǎo)致的熱應(yīng)力。以往的研究多采用高溫預(yù)熱或超聲振動等單場輔助方法來降低成形熱應(yīng)力，抑制裂紋的萌生和擴展，具有一定的局限性。多能場耦合輔助沉積技術(shù)的發(fā)展，如輔助預(yù)熱場、超聲振動、壓力場等能量場的耦合，可為大尺寸陶瓷件制備提供更好的裂紋抑制效果。

(4)過程監(jiān)控與人工智能的結(jié)合，利用X射線CT掃描、激光紅外熱成像等缺陷監(jiān)測技術(shù)，可以原位、無損、直觀地動態(tài)跟蹤陶瓷增材制造沉積過程中裂紋缺陷的特征和演化過程，并進行定量統(tǒng)計分析。此外，利用機器學(xué)習(xí)和數(shù)字孿生等人工智能技術(shù)，對陶瓷增材制造中監(jiān)測到的成形缺陷進行特征提取，建立裂紋缺陷預(yù)測的多維特征數(shù)據(jù)庫。此外，利用多傳感器和多信號融合技術(shù)，執(zhí)行裂紋缺陷的主動反饋機制，動態(tài)優(yōu)化工藝參數(shù)或材料成分，從而實現(xiàn)裂紋的動態(tài)抑制。

END

陶瓷增材制造技術(shù)已成為制造先進陶瓷的主要途徑，但裂紋缺陷已成為限制其應(yīng)用的主要障礙，也成為該技術(shù)最重要的研究方向和需要解決的關(guān)鍵問題。本文內(nèi)容主要闡述了陶瓷增材制造裂紋的主要形態(tài)特征，但陶瓷的間接與直接增材制造裂紋的形成機制存在顯著差異，探究裂紋形成機理有助于揭示裂紋的起源和擴展規(guī)律，是制備無裂紋陶瓷結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵。

推薦文獻：南華大學(xué)劉志文副教授

《Advances in crack formation mechanism and inhibition strategy for ceramic additive manufacturing》

發(fā)表于Journal?of?the?European?Ceramic?Society

注：本文內(nèi)容由3D打印技術(shù)參考整理編輯，轉(zhuǎn)載請聯(lián)系授權(quán)。