本发明涉及氧化锆陶瓷材料的激光增材制造，具体提出一种基于晶粒细化的激光增材成型氧化锆陶瓷强化方法。
背景技术：
1、氧化锆陶瓷具有优异的机械性能、化学稳定性、耐腐蚀性和生物相容性，在航空航天、生物医疗、能源环境等领域拥有广泛的应用前景。然而，现有的制备工艺难以满足日益增长的对高性能、复杂形状氧化锆陶瓷构件的需求。传统陶瓷制备工艺，如干压、等静压、注射、粉浆浇注等，成形复杂度低，难以制造复杂结构的陶瓷零件。此外，这些工艺需通过固相烧结实现陶瓷坯体的致密化，导致烧结时间长、能耗高，且陶瓷成品收缩变形大，影响尺寸精度和质量。此外，氧化锆陶瓷烧结件的后续加工也面临诸多挑战。传统机械加工容易造成陶瓷件开裂、崩边等损伤，降低成品率。同时，加工氧化锆陶瓷需要使用硬度高、耐磨损的刀具，且加工过程耗时较长，导致加工成本高昂和刀具磨损严重。
2、激光增材制造技术(如激光选区熔化、定向能量沉积等)的日趋成熟为解决上述难题提供了契机。该类技术是基于分层制造原理，利用高能量激光束为热源完全熔化陶瓷粉末，通过“自下而上”逐层累加的方式直接成形三维实体零件。相比传统成形工艺，激光增材制造技术具有设计自由度高、工艺简单、生产周期短、无需模具、近净成形等显著优势，可实现陶瓷复杂结构零件的低能耗高效制造。然而由于陶瓷的本征脆性以及激光增材成型极高的温度梯度和热应力，氧化锆陶瓷增材成型件内部极易形成微裂纹、微孔等缺陷，导致陶瓷件性能下降或成型失败，不利于增材制造氧化锆陶瓷构件的推广使用。
3、针对激光增材制造氧化锆陶瓷的缺陷抑制与性能提升，文献“ferrage l,bertrand g,lenormand p.2018.dense yttria-stabilized zirconia obtained bydirect selective laser sintering.addit.manuf.21,472–478.”发现，增材制造后氧化锆陶瓷内部形成的粗大柱状晶组织结构是缺陷形成和性能下降的重要诱因，这是由于热应力作用下产生的裂纹极易沿柱状晶晶界薄弱区发生扩展，最终在氧化锆陶瓷试样内部形成密集裂纹缺陷；文献“fan z,zhao y,lu m,huang h.2019.yttria stabilized zirconia(ysz)thin wall structures fabricated using laser engineered net shaping(lens).int.j.adv.manuf.technol.105,4491–4498.”在激光增材成形氧化锆陶瓷过程中尝试通过优化工艺参数优化成型质量，发现适当增大激光功率可降低成型过程中热应力进而减少缺陷数量。然而，研究同时表明成型参数优化方法缺陷抑制效果较为有限，试样内部仍存在少量微裂纹；文献“liu q,danlos y,song b,zhang b,yin s,liao h.2015.effectof high-temperature preheating on the selective laser melting of yttria-stabilized zirconia ceramic.j.mater.process.technol.222,61–74.”通过激光预热辅助激光增材制造技术制备了氧化锆陶瓷样件，并分析了预热温度对缺陷形成的作用规律，结果表明预热温度在2000℃以上时可消除陶瓷构件中的竖直方向周期性裂纹，但试样内部仍存在大量随机方向的短裂纹。此外，采用激光预热辅助技术还存在成型件尺寸受限、表面质量差、激光预热设备成本较高等问题；文献“urruth g,maury d,voisin c,baylac v,grossin d.2022.powder bed selective laser processing(sintering/melting)ofyttrium stabilized zirconia using carbon-based material(tic)as absorbanceenhancer.j.eur.ceram.soc.42,2381–2390.”研究了tic颗粒掺杂对氧化锆陶瓷成型质量的影响。研究表明添加适量tic颗粒尽管提高了氧化锆陶瓷成品的致密度，但对成型件内部的裂纹缺陷并无明显抑制作用。综上所述，目前尚无有效方法能实现增材成形氧化锆陶瓷的缺陷抑制与性能提升，这严重制约了激光增材制造技术在陶瓷成型领域后续发展。
技术实现思路
1、为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于晶粒细化的激光增材成型氧化锆陶瓷强化方法，基于金属铸造中的经典凝固理论，在氧化锆陶瓷原料粉体中添加少量氧化铝溶质成分，促进成型中的凝固界面前沿形成成分过冷区，激活该区域存在的形核质点，使成型后微观结构由粗大柱状晶组织转变为均匀细小等轴晶组织，进而强化和均匀化微观组织结构，最终实现增材成形氧化锆陶瓷的裂纹抑制以及机械性能提升，解决了目前氧化锆陶瓷在激光增材制造中面临的缺陷多、性能差的问题。
2、为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
3、一种基于晶粒细化的强化氧化锆陶瓷，其原料按重量百分比，包括5-7wt％氧化铝陶瓷粉料及93-95wt％的氧化钇稳定的氧化锆陶瓷粉料。
4、所述氧化钇稳定的氧化锆陶瓷粉料中，氧化钇、氧化锆含量之和为99.9wt％-99.99wt％，其中氧化钇含量占氧化钇、氧化锆含量之和的5wt％-11wt％。
5、所述氧化铝陶瓷粉料中氧化铝纯度为99.9wt％-99.99wt％。
6、所述氧化钇稳定的氧化锆陶瓷粉料与氧化铝陶瓷粉料的粒径均在50-120μm。
7、一种基于晶粒细化的激光增材成型氧化锆陶瓷强化方法，具体步骤包括：
8、步骤1、按重量百分比计，称取5-7wt％氧化铝陶瓷粉料及93-95wt％的氧化钇稳定的氧化锆陶瓷粉料，其中氧化钇含量占氧化钇、氧化锆含量之和的5wt％-11wt％；
9、步骤2、将称取的氧化钇稳定的氧化锆陶瓷粉料与氧化铝陶瓷粉料充分混合5小时以上，然后将混合好的粉料在100-200℃条件下保温干燥2-4小时，得到干燥原料粉末备用；
10、步骤3、使用定向能量沉积技术进行氧化锆陶瓷的增材成型，完成基于晶粒细化的强化氧化锆陶瓷的制备。
11、所述步骤3具体步骤为：
12、3.1)将ti6al4v基板打磨到ti6al4v基板表面出现明显金属光泽，再用酒精清洗，去除ti6al4v基板表面氧化膜；
13、3.2)将打磨后的ti6al4v基板放入增材成型腔体内部，在ti6al4v基板下放置一层防火棉以降低ti6al4v基板热扩散速率；
14、3.3)使用激光热源对ti6al4v基板表面进行多次预扫描；
15、3.4)对增材成型设备设定增材成型工艺参数，并预设增材成型设备激光喷头的移动轨迹及制备陶瓷的层数；
16、3.5)从增材成型设备的激光头当前位置出发，启动增材成型设备的激光器和送粉装置；激光束透过激光头输出照射到ti6al4v基板表面，同时将干燥后的原料粉末通过同轴送粉方式输送至ti6al4v表面，激光将原料粉末加热至2700℃(氧化锆熔点)以上，在ti6al4v表面形成稳定熔池，随着激光头沿预设轨迹移动逐渐延伸；完成预设轨迹后，停止激光束照射，熔池内的熔体温度下降至2700℃以下并凝固，形成强化氧化锆陶瓷的第一层；
17、3.6)按设定的层数，重复步骤3.5)，直到制备出预设层数的强化氧化锆陶瓷制品。
18、步骤3.4)中所述对增材成型设备设定增材成型工艺参数包括：激光功率为300-500w,激光扫描速度为350-600mm/min,单层厚度为0.3-0.5mm，送粉速率为0.8-1.2rpm。
19、相对于现有技术，本发明的有益效果如下：
20、1.本发明通过在氧化钇稳定的氧化锆陶瓷粉料中加入少量特定溶质(5-7wt％氧化铝陶瓷粉料)，通过产生成分过冷来促进晶粒细化，溶质偏析能力越强则成分过冷区越大，晶粒细化效果越好。氧化铝陶瓷粉料在在氧化锆陶瓷中固溶度极低，凝固过程中会在氧化锆陶瓷固液界面前沿发生偏聚从而产生成分过冷，因而在氧化锆晶粒生长过程中几乎被完全被排至固液界面处，在熔体中形成大范围过冷区，从而能极大程度促进异质形核。从而促进细小等轴晶结构的形成。
21、2、本发明中使用的定向能量沉积技术与传统陶瓷成型技术以及间接增材制造技术相比，采用高能量激光束快速熔化凝固陶瓷粉末，无需后处理烧结工艺，可高效实现氧化锆陶瓷件的近净成形；通过合理调控增材制造工艺参数和扫描路径，可实现复杂结构氧化锆陶瓷零件的制备；激光增材制造技术无需模具，可降低制造成本；此外，相比间接增材制造技术，本发明中使用的定向能量沉积技术无需排胶，可有效减少环境污染。
22、3、本发明所制备的氧化锆陶瓷构件与以往激光增材制造所制备的氧化锆陶瓷件相比，消除了粗大柱状晶组织结构，形成了细小的等轴晶组织，所添加氧化铝溶质在凝固过程中不断被排出到参与熔体中，从而在成型后均匀分布在氧化锆等轴晶的晶界处，进而实现了晶界强化。因此，本发明能有效提高氧化锆陶瓷的成型质量，提高陶瓷制件的力学性能，同时降低材料的各向异性。
23、4、本发明所提出的利用晶粒细化抑制成型缺陷的方法与此前提出的方法相比，操作方便，成本低廉且原料选材简单，仅需在原料粉体中混入少量第二相溶质颗粒，无需装备价格较为昂贵的预热辅助装置。同时，本发明的缺陷抑制效果十分明显，通过细化晶粒与强化晶界区域有效抑制了裂纹的形成与扩展。
1.一种基于晶粒细化的强化氧化锆陶瓷，其特征在于，其原料按重量百分比计，包括5-7wt％氧化铝陶瓷粉料及93-95wt％的氧化钇稳定的氧化锆陶瓷粉料。
2.根据权利要求1所述的一种基于晶粒细化的强化氧化锆陶瓷，其特征在于，所述氧化钇稳定的氧化锆陶瓷粉料中，氧化钇、氧化锆含量之和为99.9wt％-99.99wt％，其中氧化钇含量占氧化钇、氧化锆含量之和的5wt％-11wt％。
3.根据权利要求1所述的一种基于晶粒细化的强化氧化锆陶瓷，其特征在于，所述氧化铝陶瓷粉料中氧化铝纯度为99.9wt％-99.99wt％。
4.根据权利要求1所述的一种基于晶粒细化的强化氧化锆陶瓷，其特征在于，所述氧化钇稳定的氧化锆陶瓷粉料与氧化铝陶瓷粉料的粒径均在50-120μm。
5.一种基于晶粒细化的强化氧化锆陶瓷的强化方法，其特征在于，具体步骤包括：
6.根据权利要求5所述的一种基于晶粒细化的激光增材成型氧化锆陶瓷强化方法，其特征在于，所述步骤3具体步骤为：
7.根据权利要求5所述的一种基于晶粒细化的激光增材成型氧化锆陶瓷强化方法，其特征在于，步骤3.4)中所述对增材成型设备设定增材成型工艺参数包括：激光功率为300-500w,激光扫描速度为350-600mm/min,单层厚度为0.3-0.5mm，送粉速率为0.8-1.2rpm。
