專利名稱：低氣孔率氧化鋁鈦陶瓷件的激光近凈成形方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氧化鋁鈦陶瓷件的成形技術(shù)，特別是低氣孔率氧化鋁鈦陶瓷件的激光近凈成形方法。
背景技術(shù)：
隨著世界工業(yè)水平和先進(jìn)制造技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)結(jié)構(gòu)件在特種環(huán)境下的使用壽命要求不斷提高，金屬材料在高溫腐蝕、絕緣以及高磨損環(huán)境下的性能已經(jīng)難以滿足要求，比如航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)的高磨損耐高溫葉輪、極端工礦條件用機(jī)械手、國防和高新技術(shù)領(lǐng)域特種零部件等。而陶瓷材料由于其來源的廣泛性、以及獨(dú)特的耐磨、耐腐蝕、高硬度以及抗高溫性能，在材料家族中備受關(guān)注，各個(gè)領(lǐng)域均有著十分重要的應(yīng)用價(jià)值。其中Al2O3蘊(yùn)藏分布豐富、價(jià)格低廉，比其他氧化物陶瓷的力學(xué)、熱和電性能更優(yōu)異，所以成為微電子工業(yè)中最常用的陶瓷材料，適用于制造各種幾何形狀的電子器件，為改善Al2O3的脆性和熔層性能，通常加入一定量的TiO2，現(xiàn)在氧化鋁鈦材料已在工業(yè)中廣泛應(yīng)用。激光近凈成形技術(shù)(Laser Engineered Net Shaping-LENS )是一種高能束直接作用粉末材料，通過使粉末熔化再凝固成形目標(biāo)結(jié)構(gòu)的先進(jìn)制造方法，具有優(yōu)質(zhì)、高效、高精度、輕量化、低成本的特點(diǎn)。應(yīng)用在氧化鋁鈦的成形制造中可以提高陶瓷件組織致密性和成分均勻性，簡化制造工藝流程，不僅可以充分發(fā)揮氧化鋁鈦陶瓷材料的優(yōu)良性能，也為此種材料的結(jié)構(gòu)件直接制造提供一種新方法，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜陶瓷件的制備，在工程應(yīng)用領(lǐng)域使得特種環(huán)境下的氧化鋁鈦陶瓷件替代復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)件成為可能。但是由于激光加工能量高、熔凝快的特點(diǎn)，導(dǎo)致成形件內(nèi)部存在大量氣孔。氣孔的大量存在會(huì)降低結(jié)構(gòu)件的抗熱震性、熱循環(huán)阻力以及耐腐蝕性能之外，還可能在氣孔處形成應(yīng)力集中，致使裂紋、斷裂等缺陷，對(duì)材料機(jī)械強(qiáng)度的削弱十分明顯。因此激光近凈成形氧化鋁鈦結(jié)構(gòu)件過程中，有效降低結(jié)構(gòu)件內(nèi)部氣孔率是保證氧化鋁鈦陶瓷件可靠性的關(guān)鍵。關(guān)于激光加工陶瓷材料過程中的氣孔成因以及陶瓷材料氣孔改善問題，以下文獻(xiàn)均有報(bào)道德國學(xué)者M(jìn). F. Zawrah,J. Schneider，K. H. Zum Gahr 激光熔覆氧化鋁涂層的微觀組織和力學(xué)性能”，《材料科學(xué)與工程》，2002年332A卷。英國學(xué)者D.Triantafyllidis，L. Li, F. H. Stott 激光熔覆陶瓷材料氣孔沿固-液界面形成的機(jī)制”，《應(yīng)用表面科學(xué)》，2003年208-209卷。美國學(xué)者A. N. Samant, S. R. Paital, N. B. Dahotre 《激光加工技術(shù)雜志》”，2008年203卷。王東升、田宗軍、沈理達(dá)“激光重熔對(duì)等離子噴涂氧化鋁鈦納米涂層微觀結(jié)構(gòu)的影響”，《應(yīng)用表面科學(xué)》，2009年255卷。李強(qiáng)、付濤、楊坤“激光熔覆鎳基碳化鎢金屬陶瓷氣孔問題研究”，《激光雜志》，2006 年 27 卷。通過文獻(xiàn)調(diào)研了解到，激光加工陶瓷材料過程中的高能量、快速熔凝、疾冷收縮以及陶瓷粉末本身的特點(diǎn)都會(huì)誘發(fā)材料內(nèi)部產(chǎn)生氣孔，這導(dǎo)致激光近凈成形陶瓷材料在世界范圍內(nèi)開展并不廣泛。因此解決加工過程中的氣孔問題成為激光近凈成形技術(shù)得以推廣的關(guān)鍵因素。雖然上述文獻(xiàn)提出可通過調(diào)節(jié)功率、掃描速度、送粉量等參數(shù)和重熔措施來改善，但存在以下不足首先，激光加工參數(shù)對(duì)氣孔的影響是參數(shù)的綜合作用并非相互獨(dú)立，且各參數(shù)之間存在緊密聯(lián)系，因此針對(duì)氣孔問題調(diào)整激光加工參數(shù)是相當(dāng)復(fù)雜甚至十分苛刻的。其次，大多研究結(jié)果表明，雖然通過激光重熔可以改善結(jié)構(gòu)件內(nèi)部的氣孔問題，但是效果并不理想，仍有大量氣孔殘留。另外，由于成形結(jié)構(gòu)件層數(shù)較多，逐層重熔將大大增加過程控制的復(fù)雜性，嚴(yán)重影響加工效率，并且重熔過程極易增大結(jié)構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力，而加劇裂紋等其他缺陷，非常不利于結(jié)構(gòu)件的性能。最后，無論是調(diào)整加工參數(shù)還是激光重熔，都將對(duì)結(jié)構(gòu)件本身的宏觀形貌、微觀結(jié)構(gòu)、結(jié)合強(qiáng)度、元素?zé)g等有重大影響。因此想通過工藝手段來改善氣孔往往會(huì)弓I出其他問題，甚至失去結(jié)構(gòu)件原有的使用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決激光近凈成形氧化鋁鈦陶瓷件過程中的氣孔問題，并避免現(xiàn)有方法中存在的缺陷，在成形中通過調(diào)整參數(shù)使氧化鋁鈦粉末熔化而保留SiC粉末未熔狀態(tài)?？梢越档图す饨鼉舫尚窝趸X鈦陶瓷件中氣孔率的原因是I、在快速熔凝過程中，未熔SiC顆粒熱膨脹系數(shù)小于氧化鋁鈦，因此可以抑制氧化鋁鈦晶粒的受熱生長和冷卻收縮程度，避免冷卻過程中收縮所造成的大空穴；2、第二相未熔添加物的引入，可使激光近凈成形過程中產(chǎn)生的氣體由晶界排出；3、未熔顆粒進(jìn)入熔池中會(huì)對(duì)熔池產(chǎn)生的攪動(dòng)加劇，利于氣體排出氣體；4、存在一定的化學(xué)反應(yīng),可以將氣態(tài)物質(zhì)消耗掉。本發(fā)明的目的在于提供低氣孔率氧化鋁鈦陶瓷件的激光近凈成形方法，不但可以十分明顯地改善氧化鋁鈦結(jié)構(gòu)件的氣孔問題，而且避免了其他缺陷的引入，簡化了過程控制和加工參數(shù)調(diào)整的復(fù)雜性，提高生產(chǎn)效率。為實(shí)現(xiàn)上述目的，低氣孔率氧化鋁鈦陶瓷件的激光近凈成形方法，具體的技術(shù)方案包括以下步驟A、為提高成形結(jié)合質(zhì)量和粉末在送粉器中的流動(dòng)性，選擇20 90 μ m的球形氧化鋁鈦粉末，添加5 25wt. %同種粒度和形狀的SiC粉末，利用球磨機(jī)混合均勻后在烘干箱進(jìn)行干燥處理。B、將處理好的復(fù)合粉末放入送粉器中，調(diào)整激光加工頭最底端相對(duì)基板表面的工作距離為9 12_，使激光焦點(diǎn)可以覆蓋粉末流的焦點(diǎn)，粉末得以充分利用。C、加工中為保證氧化鋁鈦粉末熔化而保留SiC粉末未熔狀態(tài)，調(diào)整激光參數(shù)激光功率為150 270 W，掃描速度為200 500mm/min，送粉量為O. 99 2. 14g/min。D、打開惰性氣體，為成形加工提供送粉動(dòng)力和氣體保護(hù)，先后啟動(dòng)送粉器和激光器對(duì)添加了 SiC粉末的氧化鋁鈦陶瓷粉末進(jìn)行成形加工，在基板上制造出滿足尺寸要求的成形件，完成加工。其中，步驟D所述的惰性氣體可以采用氬氣，其純度一般不小于99. 9%，可以為送粉提供足夠的動(dòng)力也可為成形制造提供氣體保護(hù)氛圍，防止氧化。
本發(fā)明所述的固體連續(xù)激光器采用Nd:YAG固體連續(xù)激光器。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果I、本發(fā)明中所采用的工藝流程與以往報(bào)道的方案相比，可以更加徹底的解決了激光近凈成形陶瓷件中的氣孔問題，效果特別明顯，實(shí)現(xiàn)了低氣孔率氧化鋁鈦陶瓷件的激光近凈成形；2、本發(fā)明中所采用的工藝流程與以往報(bào)道的方案相比，只需在成形前摻入SiC粉末，省去激光加工參數(shù)優(yōu)化的過程，簡化參數(shù)優(yōu)化的復(fù)雜性，不僅擴(kuò)大了成形過程中的可行參數(shù)范圍，還提高了激光近凈成形的生產(chǎn)效率；3、本發(fā)明中所采用的工藝流程與以往報(bào)道的方案相比，氣孔問題得到解決的同時(shí)，還避免由此而引發(fā)的其他影響。


圖I是低氣孔率氧化鋁鈦陶瓷件的激光近凈成形裝置示意圖。圖中1固體連續(xù)激光器，2傳輸光纖，3激光加工頭，4激光束，5成形件，6基板，7送粉器，8惰性氣體。圖2(a)是未添加SiC粉末的氧化鋁鈦陶瓷件內(nèi)部氣孔圖。圖中深色為氣孔，淺色為氧化鋁鈦；圖2(b)是添加SiC粉末的氧化鋁鈦陶瓷件內(nèi)部氣孔圖。圖中白色為SiC未熔顆粒，黑色為氧化鋁鈦。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明如圖I所示，低氣孔率氧化鋁鈦陶瓷件的激光近凈成形方法，本發(fā)明的實(shí)施例要求氧化鋁鈦陶瓷件的長為17mm，寬為2mm,高為6mm，采用JK1002型Nd = YAG固體連續(xù)激光器對(duì)氧化鋁鈦粉末進(jìn)行激光近凈成形，具體成形步驟如下A、按照要求選擇42 90 μ m的近球形氧化鋁鈦，添加IOwt. %的SiC，將配比好的粉末在行星球磨機(jī)中混合24h后，在電熱式鼓風(fēng)干燥箱中100°C下干燥4h ；B、加工前將成形基板6用砂紙打磨，并用酒精清洗；C、將預(yù)處理好的復(fù)合粉末放入送粉器7中，調(diào)整激光加工頭3最底端相對(duì)基板6表面的工作距離調(diào)整為9mm;D、調(diào)整激光加工參數(shù)激光功率為186W，掃描速度為300mm/min，送粉量為I. 78g/min ；E、打開惰性氣體8，調(diào)整送粉氣壓為O. 2MPa，流量為5L/min，保護(hù)氣壓為O. IMPa,流量為15L/min。先后啟動(dòng)送粉器7和激光器I對(duì)添加了 IOwt. %的SiC的氧化鋁鈦陶瓷粉末進(jìn)行成形加工，激光加工頭3按照預(yù)先編程的路徑自動(dòng)移動(dòng)，在基板6上制造出長為 17mm,寬為2mm,高為6_的薄壁成形件5,完成加工。本發(fā)明步驟D所述的基板材料為Ti-6A1_4V合金。
權(quán)利要求
1.一種低氣孔率氧化鋁鈦陶瓷件的激光近凈成形方法，其特征在于該方法包括以下步驟 A、選擇20 90μ m的球形氧化鋁鈦粉末，添加5 25wt. %同樣粒度和形狀的SiC粉末，混合均勻并干燥處理； B、將預(yù)處理好的復(fù)合粉末放入送粉器中，調(diào)整激光加工頭最底端相對(duì)基板表面的工作距離為9 12mm，使激光焦點(diǎn)覆蓋粉末流的焦點(diǎn)，粉末得以充分利用； C、加工中為保證氧化鋁鈦粉末熔化而保留SiC粉末未熔狀態(tài)，調(diào)整激光參數(shù)激光功率為150 270W，掃描速度為200 500mm/min，送粉量為O. 99 2. 14g/min ； D、打開惰性氣體，先后啟動(dòng)送粉器和激光器對(duì)添加了SiC粉末的氧化鋁鈦陶瓷粉末進(jìn)行成形加工，在基板上制造出滿足尺寸要求的成形件，完成加工。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的激光近凈成形方法，其特征在于所述惰性氣體為氬氣，其純度不小于99. 9%。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的激光近凈成形方法，其特征在于所述的固體連續(xù)激光器采用Nd = YAG固體連續(xù)激光器。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種低氣孔率氧化鋁鈦陶瓷件的激光近凈成形方法，利用激光加工系統(tǒng)對(duì)氧化鋁鈦陶瓷粉末進(jìn)行激光近凈成形，具體步驟是將氧化鋁鈦陶瓷粉末與SiC粉末混合烘干后放入送粉器，激光加工頭與Nd:YAG固體激光器通過傳輸光纖連接，并以氬氣作為送粉和保護(hù)氣體，通過控制加工頭的連續(xù)移動(dòng)，在基板上實(shí)現(xiàn)低氣孔率氧化鋁鈦陶瓷件的激光近凈成形。本發(fā)明一方面可以實(shí)現(xiàn)低氣孔率氧化鋁鈦陶瓷件的激光近凈成形，另一方面簡化了參數(shù)優(yōu)化的復(fù)雜性，避免其他不利問題的引入，從而擴(kuò)大可行參數(shù)范圍，提高生產(chǎn)效率。
文檔編號(hào)C04B38/06GK102627472SQ20121011445
公開日2012年8月8日 申請(qǐng)日期2012年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月18日
發(fā)明者吳東江, 吳楠, 康仁科, 楊策, 馬廣義 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)