一種超聲輔助激光近凈成形陶瓷件的方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于增材制造領(lǐng)域，涉及一種超聲輔助激光近凈成形陶瓷件的方法。將基板實(shí)時(shí)預(yù)熱緩冷引入超聲輔助激光近凈成陶瓷件中，具體為：將超生波換能器置于加熱板中心的預(yù)置孔內(nèi)，將基板與超生換能器端面剛性連接并保證基板底面與加熱板一定距離；先開啟加熱板電源，滯后開啟超聲波發(fā)生器，通過溫控器控制基板加熱溫度；在基板加熱與超聲振動(dòng)的持續(xù)作用下進(jìn)行熔覆成形，成形結(jié)束后先關(guān)閉超聲波發(fā)生器，滯后關(guān)閉加熱板電源，通過溫控器控制成形件緩慢冷卻。本發(fā)明中基板實(shí)時(shí)預(yù)熱緩冷與超聲振動(dòng)兩種輔助效果耦合強(qiáng)化，輔助成形陶瓷件形狀尺寸不受制約，通過兩種輔助手段的耦合實(shí)現(xiàn)低缺陷三維陶瓷件激光近凈成形。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于增材制造領(lǐng)域，涉及一種超聲輔助激光近凈成形陶瓷件的方法。 一種超聲輔助激光近凈成形陶瓷件的方法 技術(shù)背景
[0002] 工程陶瓷具有耐磨損、耐高溫、抗腐蝕、高強(qiáng)度、高硬度、低密度等優(yōu)點(diǎn)，能夠在高 溫、強(qiáng)腐蝕、高磨損等極端環(huán)境下保持良好的使用性能，被認(rèn)為是未來最有前景的工程材料 之一，其優(yōu)異性能在航空航天，軍事國防，生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
[0003] 陶瓷材料傳統(tǒng)的加工方法主要是燒結(jié)法，包括壓坯和燒結(jié)兩個(gè)步驟。該方法制備 的陶瓷內(nèi)部組織疏松，缺陷多，致密性差，機(jī)械和力學(xué)性能較低。此外該方法具有制備陶瓷 件形狀尺寸受模具限制，加工工藝復(fù)雜，制造周期長等缺點(diǎn)。因此尋找一種能克服上述缺 陷，制備高性能陶瓷零件的新方法成為各國研究人員關(guān)注的重點(diǎn)。
[0004] 近年來，隨著激光熔覆技術(shù)的發(fā)展和該技術(shù)在金屬零件直接制造方面的成功應(yīng) 用，關(guān)于激光金屬表面熔覆陶瓷涂層和激光直接成形陶瓷結(jié)構(gòu)件的研究逐步展開。激光近 凈成形是激光直接熔覆成形技術(shù)中的一種，高能激光束作用在基板上形成熔池并將同軸送 粉粉末融化，激光輻照結(jié)束后，熔池凝固成形，通過控制激光掃描路徑和成形層數(shù)得到預(yù)定 三維結(jié)構(gòu)件。激光近凈成形的方法制備陶瓷件具有內(nèi)部組織致密、機(jī)械力學(xué)性能好、制造周 期短、不受零件形狀限制等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)快速無模柔性化制造。但是陶瓷材料屬于脆性材 料，成形過程中材料經(jīng)歷極冷極熱作用而產(chǎn)生較大熱應(yīng)力，極易出現(xiàn)裂紋和氣孔等缺陷，解 決激光近凈成形陶瓷件中的裂紋和氣孔等缺陷成為目前研究的重點(diǎn)。超聲振動(dòng)在熔池中 的空化、聲流等作用具有均化熔池溫度，降低應(yīng)力；加速熔池中氣體逸出，提高材料致密性； 打斷長枝晶、細(xì)化晶粒等效果。目前已有將基板超聲振動(dòng)引入激光熔覆成形技術(shù)中的相關(guān) 文獻(xiàn)報(bào)道。
[0005] 沈陽航空航天大學(xué)申請(qǐng)?zhí)枮?01310061962. 3的發(fā)明專利中提出了一種超聲輔助 激光修復(fù)鈦合金的方法。將基板超聲振動(dòng)引入到激光熔覆修復(fù)鈦合金表面的技術(shù)中。然而 激光熔覆過程中熔池凝固速度快，超聲對(duì)熔池的作用時(shí)間較短，另外僅通過基板超聲振動(dòng) 抑制裂紋和氣孔等缺陷的效果較小。
[0006] 銅陵學(xué)院王東升等人在申請(qǐng)?zhí)枮?01110364330. 5的發(fā)明專利中提出一種激光多 層熔覆制備納米涂層的方法，通過使用納米陶瓷粉末、溫度閉環(huán)控制、基板預(yù)熱和引入超聲 振動(dòng)方法抑制裂紋。該發(fā)明目的在于熔覆陶瓷涂層，其預(yù)置粉末薄片的工藝難于將基板預(yù) 熱和超聲振動(dòng)用于成形大尺寸三維陶瓷件；此外，該方法通過保溫箱預(yù)熱基板得到的涂層 尺寸和形狀受保溫箱限制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為克服現(xiàn)有超聲輔助激光熔覆陶瓷材料方法中超聲對(duì)熔池作用時(shí)間較短、抑制陶 瓷件中裂紋及氣孔等缺陷的效果較小等方面的不足，本發(fā)明提出了一種超聲輔助激光近凈 成形陶瓷件的方法。
[0008] 本發(fā)明將基板實(shí)時(shí)預(yù)熱緩冷引入到超聲輔助激光近凈成形陶瓷件技術(shù)中，通過基 板預(yù)熱與超聲振動(dòng)耦合輔助激光近凈成形陶瓷件。通過基板實(shí)時(shí)預(yù)熱緩冷，增大熔覆成形 中熔池大小，減緩凝固速度，延長超聲振動(dòng)產(chǎn)生的空化、聲流和機(jī)械振動(dòng)等對(duì)熔池的作用時(shí) 間，強(qiáng)化超聲振動(dòng)在激光近凈成形陶瓷件中的作用。同時(shí)超聲的熔池溫度均化作用又與預(yù) 熱緩冷降低成形件溫度梯度的效果相疊加，從而兩種輔助效果起到耦合強(qiáng)化的作用?；?溫度與超聲功率等輔助參數(shù)的數(shù)值匹配優(yōu)化進(jìn)一步增強(qiáng)了耦合輔助在激光近凈成形陶瓷 件中抑制裂紋和氣孔等缺陷的作用。此外，該方法中實(shí)時(shí)預(yù)熱緩冷與超聲振動(dòng)耦合輔助的 熔覆成形系統(tǒng)為同軸送粉激光近凈成形系統(tǒng)，基板預(yù)熱裝置為加熱板，耦合輔助成形陶瓷 件不受形狀尺寸制約，拓展了基板預(yù)熱和超聲振動(dòng)耦合輔助激光成形陶瓷材料的應(yīng)用范 圍。
[0009] 本發(fā)明的目的在于提供一種低裂紋、低氣孔的三維陶瓷件超聲輔助激光近凈成形 方法，實(shí)現(xiàn)三維陶瓷件的高質(zhì)量激光近凈成形，為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種超聲輔 助激光近凈成形陶瓷件的方法，具體步驟如下：
[0010] A、將烘干后陶瓷粉末置于送粉器9的送粉筒內(nèi)。
[0011] B、將超聲波換能器8貫穿于加熱板7上開設(shè)的中心孔并固定，將基板5置于超聲 波換能器8上端，基板5與超聲波換能器8之間有隔熱板6,隔熱板6、基板5和超聲波換 能器8三者剛性連接；基板5的底面距離加熱板7的上端面2-10mm。將超聲波換能器8與 加熱板7固定在機(jī)床工作臺(tái)上；開啟超聲波發(fā)生器11，找到所需的基板5的諧振點(diǎn)，將激光 同軸送粉噴嘴3移動(dòng)到上述諧振點(diǎn)的上方作為熔覆起點(diǎn)，記錄此時(shí)激光同軸送粉噴嘴3的 坐標(biāo)并關(guān)閉超聲波發(fā)生器11，將激光同軸送粉噴嘴3遠(yuǎn)離基板5,防止后續(xù)加熱對(duì)其產(chǎn)生影 響。
[0012] C、開啟加熱板7的電源，延后10-40min后開啟超聲波發(fā)生器11，在上述的 10-40min時(shí)間內(nèi)通過溫控器12將基板5加熱到指定溫度，超聲波發(fā)生器11的功率隨基板 5溫度增大而減小，基板5溫度為300-1200°C，對(duì)應(yīng)超聲波發(fā)生器11功率為200-50W。
[0013] D、對(duì)基板5進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)熱和超聲振動(dòng)的同時(shí)，根據(jù)步驟B得到激光同軸送粉噴嘴 3的坐標(biāo)將激光同軸送粉噴嘴3移動(dòng)到熔覆起點(diǎn)；開啟氣罐10、送粉器9和激光器2,進(jìn)行 激光熔覆成形，根據(jù)需要控制激光掃描輪廓和熔覆層數(shù)，直到熔覆成形結(jié)束。
[0014] F、成形結(jié)束后，依次關(guān)閉送粉器9、氣罐10和激光器2,將激光同軸送粉噴嘴3遠(yuǎn) 離基板5,關(guān)閉超聲波發(fā)生器11，延后20-200min后關(guān)閉加熱板7電源，在上述20-200min 時(shí)間內(nèi)通過溫控器12控制成形件4以10-50°C /min的速度緩慢冷卻，直至成形件4溫度達(dá) 到 200-400 °C。
[0015] 本發(fā)明的有益技術(shù)效果：
[0016] 1.本發(fā)明將基板實(shí)時(shí)預(yù)熱緩冷引入超聲輔助激光近凈成形陶瓷件中，實(shí)現(xiàn)基板實(shí) 時(shí)預(yù)熱緩冷與超聲振動(dòng)耦合輔助，兩種輔助手段和參數(shù)的耦合使輔助效果相互強(qiáng)化，提高 了抑制激光近凈成形陶瓷件裂紋和氣孔等缺陷的能力。
[0017] 2.本發(fā)明通過基板實(shí)時(shí)預(yù)熱緩冷與超聲振動(dòng)耦合輔助同軸送粉激光近凈成形陶 瓷件，基板預(yù)熱裝置為加熱板，可將耦合輔助效果用于成形不受結(jié)構(gòu)和尺寸限制的三維陶 瓷件，提高了三維陶瓷件激光近凈成形的質(zhì)量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 附圖為基板實(shí)時(shí)預(yù)熱緩冷與超聲振動(dòng)耦合輔助陶瓷件激光近凈成形系統(tǒng)示意圖。
[0019] 圖中：1工業(yè)計(jì)算機(jī)；2激光器；3激光同軸送粉噴嘴；4成形件；5基板；
[0020] 6隔熱板；7加熱板；8超聲波換能器；9送粉器；10氣罐；
[0021] 11超聲波發(fā)生器；12溫控器。

【具體實(shí)施方式】
[0022] 以下根據(jù)技術(shù)方案和附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0023] 本實(shí)施例為采用該方法制備高純A1203陶瓷薄壁件，結(jié)合附圖，對(duì)實(shí)際實(shí)施過程加 以說明，具體步驟如下：
[0024] A、將烘干后的A1203陶瓷粉末放入送粉器9中的一個(gè)送粉桶內(nèi)。
[0025] B、把超聲波換能器8貫穿于加熱板7上開設(shè)的中心孔，將基板5置于到超聲波換 能器8上端，基板5與超聲波換能器8之間有隔熱板6,將隔熱板6和基板5固定在超聲波換 能器8上，三者剛性連接，基板5的底面距離加熱板7的上表面2-10mm。超聲波換能器8與 加熱板7-起固定在工作臺(tái)上，開啟超聲波發(fā)生器11，找到基板5輸出波形較好的諧振點(diǎn)， 將激光同軸送粉噴嘴3移動(dòng)到該點(diǎn)上方作為熔覆起點(diǎn)，基板5上表面為粉末流聚焦平面，記 錄此時(shí)激光同軸送粉噴嘴3的坐標(biāo)并關(guān)閉超聲波發(fā)生器11，將激光同軸送粉噴嘴3移出并 遠(yuǎn)離基板5,基板為鈦合金基板，尺寸為100 X 100 X6mm。
[0026] C、開啟加熱板7電源，隔30min后開啟超聲波發(fā)生器11，該時(shí)間內(nèi)通過溫控器12 將基板5加熱到500°C，設(shè)置超聲波發(fā)生器11功率150W。
[0027] E、在對(duì)基板5進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)熱和超聲振動(dòng)的同時(shí)，根據(jù)坐標(biāo)將激光同軸送粉噴嘴3 移動(dòng)到熔覆起點(diǎn)，開啟氣罐10,送粉器9及激光器2,進(jìn)行單道10層激光成形實(shí)驗(yàn)，激光掃 描長度為20mm。氣罐10內(nèi)為惰性氣體，送粉氣壓0. 2MP ;激光功率300W，掃描速度350mm/ min,送粉量1. 05g/min，Z軸提升量為0. 21mm。
[0028] F、成形結(jié)束后，依次關(guān)閉送粉器9、氣罐10和激光器2,將激光同軸送粉噴嘴3遠(yuǎn) 離基板5 ;關(guān)閉超聲波發(fā)生器11，隔70min后關(guān)閉加熱板7電源；該時(shí)間內(nèi)通過溫控器12控 制成形件4以30°C /min的速度緩慢冷卻，直至成形件4溫度達(dá)到350°C。
[0029] 最終得到裂紋和氣孔較少的A1203陶瓷薄壁件。
【權(quán)利要求】
1. 一種超聲輔助激光近凈成形陶瓷件的方法，其特征在于，包括以下步驟： A、 將烘干后的陶瓷粉末置于送粉器（9)的送粉筒內(nèi)； B、 將超聲波換能器（8)貫穿于加熱板（7)上開設(shè)的中心孔并固定，將基板（5)置于超聲 波換能器（8)上端，基板（5)與超聲波換能器（8)之間有隔熱板（6)，基板（5)、隔熱板（6)和 超聲波換能器（8)三者剛性連接；基板（5)的底面距離加熱板（7)的上端面2-10mm ;將超聲 波換能器（8)與加熱板（7)固定在機(jī)床工作臺(tái)上；開啟超聲波發(fā)生器（11)，找到所需的基板 (5)的諧振點(diǎn)，將激光同軸送粉噴嘴（3)移動(dòng)到上述諧振點(diǎn)的上方作為熔覆起點(diǎn)，記錄此時(shí) 激光同軸送粉噴嘴（3)的坐標(biāo)并關(guān)閉超聲波發(fā)生器（11)，將激光同軸送粉噴嘴（3)遠(yuǎn)離基 板（5)，防止后續(xù)加熱對(duì)其產(chǎn)生影響； C、 開啟加熱板（7)的電源，延后10-40 min后開啟超聲波發(fā)生器（11)，在上述的10-40 min時(shí)間內(nèi)通過溫控器（12)將基板（5)加熱到指定溫度，超聲波發(fā)生器（11)的功率隨基板 (5)溫度增大而減小，基板（5)溫度為300-1200 °C，對(duì)應(yīng)超聲波發(fā)生器（11)功率為200-50 W ； D、 對(duì)基板（5)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)熱和超聲振動(dòng)的同時(shí)，根據(jù)步驟B得到激光同軸送粉噴嘴（3) 的坐標(biāo)將激光同軸送粉噴嘴（3)移動(dòng)到熔覆起點(diǎn)；開啟氣罐（10)、送粉器（9)和激光器（2)， 進(jìn)行激光熔覆成形，根據(jù)需要控制激光掃描輪廓和熔覆層數(shù)，直到熔覆成形結(jié)束； E、 成形結(jié)束后，依次關(guān)閉送粉器（9)、氣罐（10)和激光器（2)，將激光同軸送粉噴嘴 (3)遠(yuǎn)離基板（5)，關(guān)閉超聲波發(fā)生器（11)，延后20-200min后關(guān)閉加熱板（7)電源，在上述 20-200min時(shí)間內(nèi)通過溫控器（12)控制成形件（4)以10-50 °C /min的速度緩慢冷卻，直至 成形件（4)溫度達(dá)到200-400 °C。
【文檔編號(hào)】C04B35/653GK104086184SQ201410290489
【公開日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年6月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月25日
【發(fā)明者】吳東江, 王江田, 馬廣義, 牛方勇, 郭敏海, 周思雨 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)