大连理工大学开发出微波辅助激光3D打印方法，可用于制造高性能共晶陶瓷

频道：技术日期：2026-03-18 浏览：14

2026年3月17日，来自大连理工大学牛方勇教授的团队开发了一种混合增材制造技术，将微波场与基于激光的 3D 打印(LDED)工艺相结合，以解决在极端工业环境中使用的陶瓷部件中长期存在的缺陷问题。

△双机器人协调原位微波辅助 LDED 系统

相关研究以题为“In-situ microwave–laser hybrid additive manufacturing of nano Al2O3/YAG/ZrO2 ternaryeutectic melt-growth ceramics: control of microstructural homogeneity and highdensification”的论文发表在《国际极端制造杂志》上。

论文链接：https://doi.org/10.1088/2631-7990/ae3f64

传统的陶瓷激光 3D 打印会产生一个浅熔池，熔池几乎瞬间凝固，将微小的气泡困在材料基体中。这些气泡会形成孔隙，而这些孔隙会成为裂纹的起始点。在仅激光条件下形成的晶体结构也倾向于排列成均匀的平面带状，这种排列方式会加剧材料在机械应力下的脆性。牛方勇教授带领团队将整个打印区域暴露在 2.45 GHz 微波场中，同时进行激光照射。

△实验材料和温度测量装置：（a）原始粉末的SEM显微照片。（b）热电偶放置示意图。

由于微波能够穿透材料内部，而不仅仅是加热表面，因此熔池的液相持续时间从传统激光打印的平均 0.85 秒延长到混合系统中的1.86 秒。更长的流动性窗口使得被困的气泡在凝固前逸出，从而减少了85.5%的总空隙空间，并将孔隙率降至0.11%。剩余孔隙的平均直径也缩小至约38微米。

△熔池凝固模型。(a) 有限元网格。(b) P 点处模拟温度分布与实验测量温度分布的比较。

微波场还在微观层面上产生了额外的结构变化。残余孔隙中滞留的气体在微波场的作用下加速自由电子，从而获得能量，并通过雪崩电离产生内部等离子体，进一步消除气泡。陶瓷中的氧化钇稳定氧化锆（ZrO₂）组分起到局部微波吸收剂的作用，形成热点区域，促使晶体以随机而非线性取向生长。这种随机微观结构破坏了裂纹扩展路径，并提高了结构均匀性。孔隙率降低和晶体生长方向重新调整，使弯曲强度提高了 22.2%，材料在失效前的最大承载能力达到373.8MPa。