CN102432302B - 一种激光束近净成形陶瓷结构的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光束近净成形陶瓷结构的方法，通过分束镜把Nd:YAG激光束分为主光束和辅助光束，主光束依次通过扩束及光束校正系统、全反镜A、光开关、聚焦透镜和同轴喷嘴，聚焦后对陶瓷粉末加热溶化，在衬底上实现陶瓷结构的逐层累加成形，辅助光束依次通过全反镜B、全反镜C、光学积分器和柱棱镜，为主光束作用区域内的陶瓷成形结构提供预热和缓冷的温度条件，陶瓷粉末在聚焦后的主光束作用下加热熔化陶瓷粉末，按照设定好的数控程序，完成陶瓷结构的逐层累加成形。本发明可得到致密的陶瓷组织、降低成形过程温度梯度，进而有效减少裂纹缺陷出现的概率，可以直接成形复杂陶瓷结构，减少不必要的后续处理工序。
Description
技术领域
本发明涉及一种陶瓷结构成形方法，特别是一种激光束近净成形陶瓷结构的方法。
背景技术
随着世界工业水平和先进制造技术的迅猛发展，对零件在特种环境下的使用寿命要求不断提高，金属材料在高温腐蚀、绝缘以及高磨损环境下的性能已经难以满足要求。而陶瓷材料具有高硬度、高熔点和高化学稳定性等特点，不仅可以在传统工业领域得到广泛应用，而且在航空航天、国防以及高新技术领域等都有十分重要的应用价值。因此陶瓷结构件已经渗透到了具有特种环境条件的工业领域。现有的陶瓷结构成形包括以下两种成形方法：
1、陶瓷结构通过烧结成形。烧结成形是利用高温高压条件使得陶瓷粉末压制成形，进而获得满足要求的陶瓷结构件。但该方法存在的缺点是：
1）烧结结构组织相对较为疏松，常伴有缺陷；
2）后处理工艺繁琐，影响陶瓷结构件的稳定性和使用寿命；
3）较难烧结成形复杂陶瓷结构。
2、陶瓷结构通过单激光束成形。单激光束成形是利用激光快速成形设备，通过单激光束熔化陶瓷粉末逐层累加得到所需要的陶瓷结构。该方法的缺点是 裂纹缺陷明显，影响陶瓷结构的使用寿命。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种可以实现成形陶瓷结构组织致密并有效降低裂纹缺陷出现概率、可直接成形复杂陶瓷结构和可减少后处理工序的激光束近净成形陶瓷结构的方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种激光束近净成形陶瓷结构的方法，所述的激光束近净成形陶瓷结构的设备包括Nd:YAG激光器、送粉系统及光学器件，所述的方法包括以下步骤：
A、调整好激光输出能量，通过分束镜把Nd:YAG激光束分为主光束和辅助光束，主光束功率/辅助光束功率的比率范围为0.1至0.9；
B、所述Nd:YAG激光束波长为1064 nm，其通过分束镜得到的主光束依次通过扩束及光束校正系统、全反镜A、光开关、聚焦透镜和同轴喷嘴，聚焦后对陶瓷粉末加热熔化，在衬底上实现陶瓷结构的逐层累加成形；
C、所述Nd:YAG激光束通过分束镜得到的辅助光束依次通过全反镜B、全反镜C、光学积分器和柱棱镜，为主光束作用区域内的陶瓷成形结构提供预热和缓冷的温度条件；
D、调整好主光束和辅助光束后，通过同步控制单元实现光开关和送粉系统同步，送粉系统通过送粉管路输送陶瓷粉末至同轴喷嘴处，在聚焦后的主光束作用下加热熔化陶瓷粉末，按照设定好的数控程序，完成陶瓷结构的逐层累加成形；成形过程要求辅助光束输出提前于主光束光开关打开10秒至5分钟，且滞后于主光束光开关关闭10秒至3分钟。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过分束镜等光学元件得到了1064 nm的Nd:YAG双激光束。其中主光束用于陶瓷结构的成形；辅助光束的输出形态和大小可调，为主光束作用区域提供合理的冷却条件；此方法操作方便，可有效降低温度梯度，利于实现陶瓷结构的激光近净成形制造。
2、本发明通过分束镜把Nd:YAG激光束分为主光束和辅助光束，主光束用于陶瓷结构成形，可得到致密的陶瓷组织；辅助光束用于提供预热/缓冷条件，可以降低成形过程温度梯度，进而有效减少裂纹缺陷出现的概率。
3、本发明的扩束及光束校正系统主要用于保证主光束质量；全反镜A有利于实现主光束的柔性传输；光开关可实现主光束和送粉系统的同步输出；聚焦透镜为成形加工提供合理的主光束光斑尺寸；同轴喷嘴用于实现主光束对陶瓷粉末的加热熔化，可以直接成形复杂陶瓷结构，减少不必要的后续处理工序。
4、本发明的全反镜B和全反镜C主要用于实现辅助光束的柔性传输；光学积分器用于提供矩形、椭圆或者圆形光束输出；柱棱镜用于改变辅助光束作用区域的面积大小，使得辅助光束作用面积完全包含主光束作用区域，为聚焦后主光束作用区域提供合理的预热缓冷条件，降低了成形过程的温度梯度，从而减少裂纹缺陷出现的概率。
附图说明
本发明仅有附图1张，其中：
图1是本发明的流程示意图。
图中：1.激光束；2.分束镜；3.主光束；4.扩束及光束校正系统；5.全反镜A；6.光开关；7.聚焦透镜；8.聚焦后主光束；9.辅助光束；10.全反镜B；11.全反镜C；12.光学积分器；13.柱棱镜；14.辅助光束作用区域；15.主光束作用区域；16.衬底；17.送粉系统；18.同步控制单元；19.送粉管路；20.同轴喷嘴。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1所示，本发明的工作过程如下：
Nd：YAG激光器的激光束1通过分束镜2分成主光束3和辅助光束9，主光束3功率/辅助光束9功率比例范围为0.1至0.9。
其中主光束依次经过扩束及光束校正系统4、全反镜A5、光开光6、聚焦透镜7和同轴喷嘴20到达衬底16表面，通过同步控制单元18实现光开关6和送粉系统17同步，送粉系统17通过送粉管路19输送陶瓷粉末至同轴喷嘴20处，在聚焦后主光束8作用下加热熔化陶瓷粉末，按照设定好的数控程序，完成陶瓷结构的逐层累加成形。
而辅助光束9依次经过全反镜B10、全反镜C11、光学积分器12和柱棱镜13达到衬底16表面；其中辅助光束9经光学积分器12整形为矩形、椭圆或者圆形光束后，再通过柱棱镜13实现光束的面积的大小调整，最终使得辅助光束作用区域14完全覆盖主光束作用区域15，利于降低成形过程温度梯度，便于为成形过程提供合理的预热缓冷条件。
成形过程根据实际的陶瓷结构特点，控制辅助光束9输出提前于主光束光开关6打开10秒至5分钟，且滞后于主光束光开关6关闭10秒至3分钟。
本发明通过分束镜等光学元件得到了1064 nm的Nd:YAG双激光束。其中主光束用于陶瓷结构的成形；辅助光束的输出形态和大小可调，为主光束作用区域提供合理的冷却条件；此方法操作方便，可有效降低温度梯度，利于实现陶瓷结构的激光近净成形制造。
Claims (1)
1.一种激光束近净成形陶瓷结构的方法，激光束近净成形陶瓷结构的设备包括Nd:YAG激光器、送粉系统（17）及光学器件，其特征在于：所述的方法包括以下步骤：
A、调整好激光输出能量，通过分束镜（2）把Nd:YAG激光束（1）分为主光束（3）和辅助光束（9），主光束（3）功率/辅助光束（9）功率的比率范围为0.1至0.9；
B、所述Nd:YAG激光束（1）波长为1064 nm，其通过分束镜（2）得到的主光束（3）依次通过扩束及光束校正系统（4）、全反镜A（5）、光开关（6）、聚焦透镜（7）和同轴喷嘴（20），聚焦后对陶瓷粉末加热熔化，在衬底（16）上实现陶瓷结构的逐层累加成形；
C、所述Nd:YAG激光束（1）通过分束镜（2）得到的辅助光束（9）依次通过全反镜B（10）、全反镜C（11）、光学积分器（12）和柱棱镜（13），为主光束作用区域（15）内的陶瓷成形结构提供预热和缓冷的温度条件；
D、调整好主光束（3）和辅助光束（9）后，通过同步控制单元（18）实现光开关（6）和送粉系统（17）同步，送粉系统（17）通过送粉管路（19）输送陶瓷粉末至同轴喷嘴（20）处，在聚焦后主光束（8）作用下加热熔化陶瓷粉末，按照设定好的数控程序，完成陶瓷结构的逐层累加成形；成形过程要求辅助光束（9）输出提前于主光束（3）光开关（6）打开10秒至5分钟，且滞后于主光束（3）光开关（6）关闭10秒至3分钟。
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