1 作者

于学鑫，毕炜明，殷松璐，吴东江，马广义，赵丹雷，牛方勇*

2 机构

大连理工大学

3 Citaion

Yu X X, Bi W M, Yin S L, Wu D J, Ma G Y, Zhao D L, Niu F Y. 2026.In-situ microwave-laser hybrid additive manufacturing of nano Al₂O₃/YAG/ZrO₂ ternary eutectic melt-growth ceramics: control of microstructural homogeneity and high densification. Int. J. Extrem. Manuf. 8 035005.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ae3f64

文章导读

激光定向能量沉积技术在熔体自生陶瓷构件直接增材制造中日益得到重视，但成形过程引起的组织不均匀与高孔隙率影响了构件性能的提升。近期，大连理工大学高性能精密制造全国重点实验室牛方勇副教授课题组创新性提出原位微波-激光复合增材制造三元共晶熔体自生陶瓷新方法，该研究利用微波的介电加热及伴随的致密化效应显著提升了Al₂O₃/YAG/ZrO₂三元共晶陶瓷的组织均匀性与致密度，实现了构件的强-韧性协同调控。相关研究在SCI期刊《极端制造（英文）》期刊上发表了题为“In-situ microwave–laser hybrid additive manufacturing of nano Al₂O₃/YAG/ZrO₂ ternary eutectic melt-growth ceramics: control of microstructural homogeneity and high densification”的文章。

图文解析

团队搭建了双机械手协同原位微波-激光复合增材制造系统（如图1所示），其中MH12六轴机器人搭载同轴送粉激光头，GP180 重载机器人则通过耐高温支撑杆连接基板，双机械手在微波腔体内配合完成复杂路径运动。该系统配备了 3 kW 工业级微波发生器与特制的谐振腔作为成形腔。为了解决成形过程中的微波泄漏难题，系统特别设计了柔性微波屏蔽罩，确保在成形过程中微波场仍能安全、稳定地覆盖构件，实现了微波体积加热与激光熔融沉积的实时原位耦合。

图1 双机械手协同原位微波-激光复合增材制造系统。

图2展示了原位微波辅助沉积成形的过程与结果。在微波体积加热与激光局部熔融的叠加效应下，成形构件完成初期整体呈现明亮的橘红色辉光，显著区别于周围暗环境，证实了全过程微波场的有效施加。随着预热温度的升高，成形样件对微波的吸收率随之增强，样件外观发生了显著变化，由常规的乳白色逐渐转变为深红褐色。结合XPS谱图分析，这种颜色变化的本质在于微波场营造的高温低氧分压环境促使晶格氧外扩散，诱导氧空位浓度增长。

图2 实验过程及成形构件：（a）实验过程；（b）原位微波-激光复合示意图；（c）不同微波吸收率成形构件及XPS结果。

图3揭示了微波场对Al₂O₃/YAG/ZrO₂三元共晶陶瓷沉积样件层间带状组织的调控效果。在无微波辅助成形条件下，样件相邻的粗化周期性带状组织之间存在气孔、未熔ZrO₂颗粒等诸多缺陷，而随着高功率微波的引入，气孔及未熔粉末颗粒明显减少。另外微波体积加热效应促使层间组织有效跨越重熔阈值，避免了其长期停留在易粗化的亚液相窗口。最终，样件内部的层间带状组织由粗化不规则转变为规则有序的层片状共晶结构，实现了组织致密度与均匀性的同步提升。

图3 不同微波吸收率下构件内部层间带状组织演变特征。

图4利用透射菊池衍射技术（Transmission Kikuchi Diffraction，TKD）深入揭示了原位微波场对晶体生长取向的调控机制。结果显示，低介电损耗的Al₂O₃与YAG相在微波场中仍基本维持原有的择优生长方向；而高介电损耗的ZrO₂相则表现出截然不同的演变特征—在高微波吸收率成形条件下，其晶粒取向图由单色转变为杂色，发生了织构随机化的演变特征。这种现象源于微波对ZrO₂产生的选择性局部“热点”效应，瞬时高温引发的快速形核打破了传统的定向生长模式，有效降低了材料整体的织构强度。

图4 不同微波吸收率下成形构件物相取向演变TKD分析。

图5通过构建磁-热-流多物理场耦合模型，揭示了微波场对熔池动力学行为的深层调控机制。模拟结果显示，微波的体积加热效应显著降低了高温熔体的粘度，进而增强了马兰戈尼对流与浮力驱动力，促使熔池内部最大流速由0.131 m/s跃升至0.225 m/s，大幅提升了气泡逸出动力。更为关键的是，微波场的引入改变了熔池的热历史，使固液界面处的温度梯度降低约55.3%，同时将熔池保留时间延长至1.86 s，这种凝固环境为微观组织的均匀化与致密化提供了充足的时间窗口 。

图5 原位微波-激光复合增材制造凝固机理：（a）熔池内部磁场分布；（b）微波辅助后熔池流速及尺寸变化；（c）温度梯度-凝固速率-熔池保留时间对比。

图6展示了原位微波-激光复合增材制造在熔体自生陶瓷孔隙抑制方面的效果。CT三维重构清晰地呈现了构件内部孔隙率的显著下降—由常规成形的0.76%降低至高微波吸收率下的0.11%，且大尺寸孔隙缺陷得到有效消除。这种优异致密化表现的物理机制在于：一方面，微波场与激光诱导的种子电子相互作用，在熔池内部引发气体电离形成等离子体，有效减少了熔池中的气体含量；另一方面，微波体积加热与ZrO₂局部“热点”效应协同降低了熔体粘度，通过强化马兰戈尼对流促使微小气泡加速聚并与上浮逃逸，从而实现了熔体自生陶瓷的高致密化成形。

图6 不同微波吸收率成形构件内部孔隙分布特征：（a）样件CT孔隙分布；（b）孔隙率及孔隙尺寸统计；（c）孔隙电离等离子体效应及局部热点效应。

总结与展望

本研究提出的原位微波-激光复合增材制造技术显著改善了熔体自生氧化物共晶陶瓷的组织均匀性及致密度，为高性能复杂熔体自生氧化物共晶陶瓷激光增材制造提供了一种有效方案。未来，团队将进一步验证原位微波-激光复合增材制造在熔体自生陶瓷裂纹抑制方面的深层潜力，并系统开展构件形性协同调控的验证工作，旨在攻克制造缺陷瓶颈，推动高性能氧化物陶瓷在工程领域的实际应用。

作者与团队简介

牛方勇

大连理工大学

牛方勇（本文通讯作者），大连理工大学副教授，博士生导师，高性能精密制造全国重点实验室、全国高校黄大年式教师团队青年骨干。主要研究方向为增材制造与激光制造。担任辽宁省机械工程学会增材制造分会理事会副秘书长；中国机械工程学会极端制造分会、增材制造技术分会、中国有色金属学会增材制造分会委员；International Journal of Extreme Manufacturing、《机械工程学报》、Additive Manufacturing Frontiers等知名期刊青年编委。主持/参研国家级、省部级项目20余项，参编ASM Handbook增材制造系列丛书1部，发表SCI论文150余篇（入选ESI高被引4篇、封面封底论文4篇，H因子38），入选2025年度斯坦福大学全球TOP 2%科学家榜单。授权国家发明专利30余项，国际专利1项。相关成果支撑获得产学研合作创新成果奖二等奖1项、中国循环经济协会科技进步二等奖1项、日内瓦国际发明金奖1项、辽宁省自然科学学术成果一等奖1项。

关于期刊

International Journal of Extreme Manufacturing (《极端制造》），简称IJEM，中国机械工程学会极端制造分会会刊，致力于发表极端制造领域相关的高质量最新研究成果。自2019年创刊至今，期刊陆续被SCIE、EI、Scopus等20余个国际数据库收录。JCR最新影响因子21.3，位列工程/制造学科领域第一。期刊分区表工程技术1区，TOP期刊。入选中国科技期刊卓越行动计划二期英文领军期刊。

期刊网址：

https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

http://ijemnet.com/

期刊投稿：

https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep

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