陶瓷材料作为世界主要应用材料之一,因其优异的物理和化学性能被广泛地应用在航空航天、生物医疗和工业领域。陶瓷零件传统制备工艺由于制备复杂、模具化生产、产品收缩比大及添加粘结剂等问题,造成了陶瓷复杂定制化零件成品率较低,成本高。激光直接成形技术属于增材制造的一种,通过层层累积的工艺进行直接熔融成形。相对陶瓷传统制备工艺减少了制造模具、添加粘结剂等环节,提高了制备效率,减少了制备成本。本文利用激光直接成形技术进行氧化铝基陶瓷单道多层陶瓷成形件的基础研究,探究陶瓷成形件内气孔缺陷的形成机理,构建气孔形成模型,并在此基础上进行不同策略的控制分析。基于气孔缺陷研究基础,成功制备出应用在血液分析仪中的陶瓷柱塞零件。本文具体研究内容如下:(1)根据激光直接成形工艺特点,对陶瓷成形件的层间孔隙、层内孔隙、晶间孔隙和缩孔四类气孔缺陷进行了研究。基于陶瓷结构件形状特征,发现陶瓷结构件气孔的形貌和分布特征与陶瓷结构件形状及成形方式有关。基于陶瓷材料不同配比特征,从氧化铝/氧化锆二元相图出发,对陶瓷成形件的气孔特征及组织形貌进行了研究。对成形件不同区域处的气孔特征进行了系统的分析,研究了从亚共晶、共晶到过共晶陶瓷材料成形的组织演变及气孔分布特征。分析了成形件组织形貌特征与气孔缺陷之间关系。发现通过增加氧化锆比例可以减少气孔缺陷的产生。(2)基于凝固理论及气泡动力学,构建了无量纲气泡逸出因子作为气孔形成的评判依据。在此基础上建立了不同Marangoni对流模式下熔池不同位置处的气孔形成模型。通过气孔形成模型阐明了气孔的形成机制。并采用实验方法对气孔形成机制进行了分析。研究结果表明:外流模式下,熔池中心上部区域容易形成聚集孔隙,内流模式下,熔池中心下部区域容易形成聚集孔隙。(3)基于气孔形成机制的分析,从工艺参量和过程参量两个方面对成形件的气孔率进行了控制研究。通过单因素试验分析不同工艺参数对气孔率的影响规律。讨论了气孔面积区间对成形件气孔率的显著性影响。最后利用田口法进行工艺参量的优化。通过分析熔池温度和等离子体等过程参量对气孔缺陷的影响,建立熔池温度和等离子羽辉质心高度与气孔率之间的相关关系。结果表明:成形件内面积区间在0-1000μm~2的小型孔隙数量最多。熔池温度与气孔率之间属于弱负相关关系。等离子质心高度和气孔率属于高度正相关。(4)对单道多层、多道单层和柱塞三种陶瓷成形件的力学性能进行了分析。根据气孔分布特征和成形件截面特征,成形件内部区域可分为高气孔率区域和低气孔率区域。结果表明:低气孔率区域,单道多层陶瓷结构件的硬度最高为1500Hv,柱塞的断裂韧性最大;高气孔率区域,柱塞结构件的硬度最高,而单道多层陶瓷结构件的断裂韧性最大。通过对单道多层陶瓷件块状结构和柱塞的抗压强度测试可知,单道多层结构件的强度可达1373 MPa,而柱塞的抗压强度为474.5MPa。