CN103317590B

CN103317590B - 一种激光3d打印陶瓷功能梯度结构件的方法

Info

Publication number: CN103317590B
Application number: CN201310258054.3A
Authority: CN
Inventors: 吴东江; 牛方勇; 马广义; 郭东明
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2013-06-26
Filing date: 2013-06-26
Publication date: 2015-10-28
Anticipated expiration: 2033-06-26
Also published as: CN103317590A

Abstract

本发明公布了一种陶瓷功能梯度结构件的激光3D打印方法，利用激光3D打印系统以不同的陶瓷粉末为原料增材成形功能梯度结构件，具体步骤是：将两种或两种以上的陶瓷粉末干燥处理后分别放入送粉器不同的粉筒中，以惰性气体作为送粉和保护气体，利用高能激光束在基板上或前一沉积层上形成熔池并熔化注入熔池的陶瓷粉末，随着激光头的移动得到设计的单层轮廓，并通过层层沉积的方式得到最终的陶瓷结构。成形过程中通过控制不同粉末的送粉量实时改变组分配比，实现陶瓷结构件各位置材料组分及功能的梯度变化。本发明将传统方法中的制坯及烧结两个工序合二为一，提供了一种直接制备高性能陶瓷功能梯度结构件的方法。

Description

一种激光3D打印陶瓷功能梯度结构件的方法

技术领域

本发明涉及一种激光3D打印陶瓷功能梯度结构件的方法。

背景技术

陶瓷功能梯度材料结合了陶瓷材料的耐高温耐腐蚀等特性及功能梯度材料的组分连续变化与性能可控的特点，在国防军事、生物医疗、机械加工等领域具有重要的应用价值。尤其是随着超高音速飞行器的兴起，耐高温同时又高强度的多性能陶瓷材料需求迫切，而且要求某些零件的不同部位具备不同的性能，然而一般均质材料很难达到这种要求，因此能够满足这种条件的功能梯度材料成为研究的热点。

目前，陶瓷功能梯度结构件的制备方法主要是利用泥浆涂层及电泳沉积等手段制得毛坯后再利用各种方法进行固相烧结，这些方法包括毛坯制作及固相烧结两个工序，生产效率低且制得的功能材料多含粘结剂等杂质，可制作的零件形状也受很大限制。此外，也有学者利用等离子喷涂及自蔓延高温燃烧的方法制备陶瓷功能梯度材料，但等离子喷涂制备的材料中含有较多疏松与孔洞，且层层界面处也容易开裂失效，而自蔓延高温燃烧法只适用于放热反应材料体系，且制备出的材料致密性较差。以上陶瓷功能梯度材料制备方法均不能同时具备生产效率高且质量可靠两方面特点，且尚不能满足组分复杂变化的多维功能梯度材料的制备。而激光束亮度高，柔性强的特点为高熔点陶瓷材料的直接成形提供了可能。目前激光技术已被尝试应用于直接制备陶瓷结构件及陶瓷梯度涂层，相关文献报道如下所示：

美国学者V.K.Balla，S.Bose，A.Bandvopadhvav：“块体氧化铝激光近净成形（Processing of Bulk Alumina Ceramics Using Laser Engineered NetShaping）”，《应用陶瓷技术国际杂志（International Journal of Applied CeramicTechnology）》，2008年5卷。

中国学者刘其斌：“宽带激光熔覆梯度生物陶瓷复合涂层及其生物相容性”，大连理工大学博士学位论文，2005年。

中国学者陈传忠，王佃刚，徐萍等：“激光熔覆HA生物陶瓷梯度涂层的微观组织结构”，《中国激光》，2004年31卷。

通过文献调研了解到，均质陶瓷结构件不具有性能渐变的功能梯度特性，不能充分满足某些特殊场合的应用，而目前的陶瓷梯度涂层只限于二维薄层，且多以金属材料作为过渡材料，应用范围也较为有限。此外，涂层的成形机制及制备难度与陶瓷功能梯度结构件的激光3D打印成形机制截然不同，因此，寻找一种可以直接成形致密陶瓷功能梯度材料的方法具有重要的意义。

发明内容

为解决陶瓷功能梯度结构件传统制备方法中存在的效率低下、富含粘结剂及结构不致密等问题，本发明提供一种高效优质且加工柔性强的陶瓷功能梯度结构件的激光3D打印技术，不但可以将传统方法中制作毛坯及烧结两步工序合二为一，而且由于打印过程中的熔化-凝固过程而避免传统固相烧结的诸多缺陷，并能实现多种高熔点陶瓷材料的复杂维度功能梯度结构件打印。

为实现上述目的，陶瓷功能梯度结构件的激光3D打印方法具体包括以下步骤：

A、根据陶瓷结构件的功能梯度设计要求，计算功能梯度结构件不同位置的组分配比，并将计算值作为激光3D打印机送粉器不同粉筒的数控变量值，以便打印加工过程中实时控制；

B、选择直径为20～90μm的陶瓷粉末干燥处理后分别放入送粉器不同的粉筒中，根据功能梯度结构件选择不同元素种类的陶瓷粉末，且组分搭配需满足一定原则：选择的不同元素种类陶瓷粉末中，任何一种陶瓷粉末的熔点不能高于其它粉末的沸点；各种陶瓷粉末间不发生化学反应，应具有较好的化学相容性；各陶瓷材料的热膨胀系数不能大于5×10^-6/℃，并具有较好的润湿性，即各陶瓷材料应具有较好的物理相容性。如Al₂O₃/ZrO₂，Al₂O₃/SiC及TiC/Al₂O₃等梯度材料组系；

C、调整工作台使同轴送粉的粉末流焦点处于基板的表面，同时保证粉末流焦点与激光光斑焦点重合，以最大程度地提高粉末利用率；基板选择熔点较高的金属或陶瓷等材料，需对激光有较高的吸收率且与成形材料具有较好的化学及物理相容性；

D、设置激光功率密度处于10⁴～10⁵W/cm²，打印扫描速度处于200～800mm/min范围内，送粉量处于1.0～3.5g/min范围内；随材料组分的变化，材料整体的平均熔点及熔化潜热也将不同，相应的激光功率密度也需调整，以确保输入合适的热能既可以熔化高熔点陶瓷粉末，又不会使低熔点陶瓷粉末达到沸点而过分挥发；

E、打开惰性气体为3D打印提供送粉动力及气体保护，根据陶瓷粉末的粒度及密度调整送粉气压及保护气压均为0.1～0.3MPa，既能保证陶瓷粉末的顺利输送又不会对熔池产生过多扰动；所用惰性气体可以为氩气及其它惰性气体，纯度不能低于99.9%；

F、先后启动送粉器和激光器对复合陶瓷粉末进行3D打印成形，成形过程中通过改变送粉器不同粉筒的数控变量值来控制各粉筒的送粉转速，以控制各陶瓷粉末的送粉量，最终实现实时控制结构件不同位置组分的变化。

G、打印完成一层后，工作台下降单层厚度的距离进行下一层陶瓷复合材料的打印，成形过程中保持送粉器各粉筒数控变量值的总和不变，即保证各种材料总的送粉体积不变，以保证每道及每层的打印厚度一致，最终实现激光3D打印成形陶瓷功能梯度结构件。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明中所采用的制备方法与以往报道的方法相比，可以将制坯和烧结的两道工序合二为一，提高了成形效率；

2、本发明中所采用的制备方法与以往报道的方法相比，成形过程中陶瓷粉末经历熔化-凝固的过程，可以克服传统固相烧结引起的疏松等缺陷；

3、本发明中所采用的制备方法与以往报道的方法相比，成形过程中冷却速度更快，易于得到更加细密均匀的微观组织，有利于结构件力学及热学性能的提高；

4、本发明中所采用的制备方法与以往报道的方法相比，激光可以熔化各种高熔点陶瓷材料，扩大了用于功能梯度结构件制备的陶瓷材料的种类范围；

附图说明

图1是陶瓷功能梯度结构件的激光3D打印系统示意图。

图2是Al₂O₃/ZrO₂陶瓷功能梯度结构示意图。

图中：1工业计算机；2激光器；3光纤；4-1送粉器的粉桶A；4-2送粉器的粉桶B；4-3送粉器的粉桶C；5惰性气体；6激光加工头；7成形的结构件；8工作台。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。图1所示为陶瓷功能梯度结构件的激光3D打印系统示意图，本发明的实施例要求：成形如图2所示的7层Al₂O₃/ZrO₂陶瓷功能梯度结构，各层组分配比要求如下：第1层20%Al₂O₃-80%ZrO₂（体积百分比），第2层30%Al₂O₃-70%ZrO₂，第3层40%Al₂O₃-60%ZrO₂，第4层50%Al₂O₃-50%ZrO₂，第5层60%Al₂O₃-40%ZrO₂，第6层70%Al₂O₃-30%ZrO₂，第7层80%Al₂O₃-20%ZrO₂。

采用JK1002型Nd:YAG固体连续激光器对Al₂O₃/ZrO₂陶瓷粉末进行激光3D打印成形，具体成形步骤如下：

A、选择直径为20～90μm的Al₂O₃/ZrO₂陶瓷粉末，将粉末放至电热式鼓风干燥箱中100℃下干燥4h，然后将Al₂O₃粉末放入4-1送粉器的粉筒A中，将ZrO₂粉末放入4-2送粉器的粉筒B中；

B、为保证成形效果，选择激光吸收率较好的钛合金TC4基板，3D打印成形前用砂纸打磨，并用酒精清洗；

C、调整工作台8使同轴送粉的粉末流焦点处于基板的表面，同时保证粉末流焦点与激光光斑重合，以最大程度地提高粉末利用率；

D、由于每层ZrO₂含量的减少，成形时设置激光功率密度由10⁵W/cm²降至10⁴W/cm²，打印扫描速度处于200～800mm/min范围内，送粉量处于1.0～3.5g/min范围内；

E、打开惰性气体5为3D打印提供送粉动力及气体保护，调整送粉气压为0.2MPa，流量为5L/min，保护气压为0.1MPa，流量为15L/min；

F、先后启动送粉器4-1送粉器的粉筒A、4-2送粉器的粉筒B和激光器2对复合陶瓷粉末进行3D打印成形，激光加工头6按照数控程序规定的轨迹进行扫描；成形过程中利用相应变量的赋值来分别控制送粉器粉筒A及粉筒B的送粉转速，以实时控制结构件不同位置组分的变化；

G、打印完成一层后，工作台8下降单层厚度的距离进行下一层陶瓷复合材料的打印，成形过程中保持送粉器粉筒A及粉筒B数控变量值的总和不变，即保证Al₂O₃与ZrO₂粉末总的送粉体积不变，以保证每层的成形厚度一致。

Claims

1.一种激光3D打印陶瓷功能梯度结构件的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

A、根据结构件功能梯度设计要求计算结构件不同位置的组分配比，并将计算值作为激光3D打印机送粉器不同粉筒的数控变量值；

B、将直径为20~90μm的陶瓷粉末干燥处理后分别放入激光3D打印机送粉器不同的粉筒中，根据功能梯度结构件选择不同元素种类的陶瓷粉末；所述的陶瓷粉末为Al₂O₃/ZrO₂、Al₂O₃/SiC、TiC/Al₂O₃；

C、设置激光3D打印机的激光功率密度处于10⁴ ~10⁵ W/cm²，扫描速度处于200~800 mm/min，送粉量处于1.0~3.5 g/min；

D、打开惰性气体为激光3D打印成形提供送粉气压及保护气压，并调整两种气压均处于0.1~0.3MPa；

E、成形过程中通过改变送粉器不同粉筒的数控变量值实时控制不同粉筒的送粉量，实现结构件不同位置的组分变化，但各粉筒数控变量值的总和不变，以使每层的打印厚度保持一致，最终实现激光3D打印成形陶瓷功能梯度结构件。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述不同元素种类陶瓷粉末中任何一种陶瓷的熔点不能高于其它陶瓷的沸点，各陶瓷粉末相互不发生化学反应，且各陶瓷粉末的热膨胀系数相差不能超过5×10^-6/℃。