CN104015244A - 一种激光近净成形Al2O3陶瓷结构件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于陶瓷材料激光快速成形技术领域，提供了一种激光近净成形Al₂O₃陶瓷结构件的方法。将超声波换能器定位夹紧，Al₂O₃陶瓷结构件的成形基体通过其上的中心孔和端面定位夹紧在超声波换能器端部，超声波振动系统固定在数控机床的工作台上。开启超声波发生器，在频率为17～23kHz范围内搜索超声波振动系统谐振频率，选择最符合输出波形特征的谐振点，在50～100W下工作1～5min。进行陶瓷结构件成形，然后顺序关闭激光器、送粉器，调整超声波发生器频率高于所选谐振频率0.3～5kHz，保持超声波输出功率不变，延后2～5min关闭超声波发生器。本发明能够提高陶瓷成形件表面质量及尺寸精度，改善微观组织，抑制孔隙、裂纹等缺陷产生，扩展激光近净成形陶瓷结构件可行工艺范围。

Description

一种激光近净成形Al2O3陶瓷结构件的方法

技术领域

本发明属于陶瓷材料激光快速成形技术领域，涉及一种激光近净成形Al₂O₃陶瓷结构件的方法。

背景技术

激光近净成形是一种利用高能激光束直接成形目标结构的先进制造方法，成形件显微组织细小，致密性、硬度和耐腐蚀性高，在陶瓷材料的直接制造及再制造中具有广阔的应用前景。陶瓷具有机械强度高、绝缘电阻大、硬度高、耐磨损、耐腐蚀、耐高温，在石油、化工及电子等传统行业及航空航天、国防等高新技术领域(如航空发动机热端部件、深海光缆用绝缘陶瓷套体、航天器陶瓷高温燃烧室等)获得广泛应用。

Balla V K，Bose S，Bandyopadhyay A，Processing of bulk alumina ceramicsusing laser engineered net shaping[J]，International Journal of Applied CeramicTechnology，2008年5卷第3期234-242页，采用激光近净成形技术制备出结构致密均匀的Al₂O₃陶瓷件，但成形件表面质量和尺寸精度仍较差，不能避免复杂陶瓷结构件成形过程中局部因温度梯度梯度过大导致的裂纹等缺陷。

大连理工大学申请号为201310086715.9的申请专利里面介绍了一种激光近净成形Al₂O₃-ZrO₂共晶陶瓷结构件的方法，利用激光近净成形系统制备了具有共晶组织特征的陶瓷结构件，但成形件顶部易产生孔隙缺陷，零件整体的致密均匀性较差，降低了陶瓷结构件的宏观力学性能。

沈阳航空航天大学申请号为201310061962.3的申请专利里面介绍了一种超声辅助激光修复钛合金的方法，但金属材料成形机制与陶瓷结构件激光近净成形机制截然不同，陶瓷材料成形温度高，成形过程中开裂敏感性强，材料的性质致使超声辅助激光近净成形陶瓷结构件难度增大，仅通过研究超声波振动频率和熔池振幅不能达到提高陶瓷结构件成形质量的目的。

发明内容

本发明为解决激光近净成形Al₂O₃陶瓷结构件过程中成形件表面质量及尺寸精度差，易产生孔隙、裂纹等缺陷的不足，提出了一种激光近净成形陶瓷结构件的新方法。本发明能够改善成形件表面质量，提高成形件尺寸精度，施加超声场还能改善液态熔池的流动性，均匀熔池内部温度场，细化晶粒，均匀组织，减少孔隙和残余应力，抑制成形过程中裂纹产生。施加超声场后能够提高成形件整体质量的原因在于：

1、超声波在液体介质中传播时，液体介质交替地受拉受压，当超声波强度超过液体张力时，液体薄弱部位被撕开而产生大量气泡。在正压相来临时，空化泡迅速闭合，在气泡周围产生强烈的局部激波，同时伴有瞬间的高温高压现象。这种空化泡在液体介质中产生、溃陷或消失的现象，称为超声空化作用。超声波产生空化泡的增大和内部液体的蒸发将从周围吸收大量的热，导致空化泡表面的熔液温度降低。当这些微区满足形核所要求的温度条件时，大量的晶核将在这些区域生成，其中部分小晶核由于声流造成的热起伏而熔化，而大的晶核则保存下来使形核核心数量增加，晶粒得到细化。同时，空化泡闭合时产生的辐射力能破碎生长中的枝晶，分散到熔体中形成均匀分布的小晶核，同样使晶核数量增加，晶粒得到细化。

2、超声振动的除气机理是声流对熔体的扰动有助于气泡的自然上浮及熔体中溶解的气体进入低气压空化泡内，形成大气泡而上浮。超声波在液体介质中传播时产生有限振幅衰减使液体内从声源处开始形成一定的声压梯度，导致液体高速流动，即声流效应。超声波的机械效应、空化扰动及声流效应等能够改善熔池流动有利于熔池两侧液体的快速回流，是消除缩孔的有效手段之一。

3、在熔池凝固过程中，高频率振动在液体中产生的空化扰动和机械搅动作用使熔池整体的温度和化学成分均匀化，使显微组织分布更加均匀，晶粒细化，从而在一定程度上抑制了裂纹的产生和扩展。

本发明目的在于提供一种激光近净成形Al₂O₃陶瓷结构件的方法，方便、高效地成形出高尺寸精度、高致密性、近无缺陷的三维实体陶瓷结构件。

本发明技术方案包括以下步骤：

A、超声波换能器定位在支架上，通过压板压紧超声波换能器上的环形法兰盘，将超声波换能器定位夹紧，在Al₂O₃陶瓷结构件的成形基体上钻一个中心孔，通过成形基体上的中心孔、下端面与超声波换能器上的圆柱头、圆环面配合使成形基体完全定位在超声波换能器端部，再通过螺栓夹紧成形基体；将螺栓、成形基体、超声波换能器、支架组成的超声波振动系统固定在数控机床的工作台上。

B、开启超声波发生器，在频率为17～23kHz范围内搜索超声波振动系统的谐振频率，选择最符合输出波形特征的谐振点，成形频率偏离谐振频率0.2～0.3kHz，在超声波输出功率为50～100W下工作1～5min。

C、开启送粉器和激光器进行Al₂O₃陶瓷结构件成形；成形结束后顺序关闭激光器、送粉器，调整超声波发生器频率，使其高于所选谐振频率0.3～5kHz，调整输出电流，保持步骤B中超声波输出功率不变，延后2～5min关闭超声波发生器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、采用超声辅助激光近净成形Al₂O₃陶瓷结构件，提高了陶瓷成形件表面质量及尺寸精度，改善了微观组织，有效抑制了局部温度梯度过大导致的裂纹等缺陷；

2、采用超声辅助激光近净成形Al₂O₃陶瓷结构件，能够消除气孔、缩孔等孔隙缺陷，提高了结构件致密均匀性，从而提高零件整体的宏观力学性能；

3、通过精确调整超声波发生器输出功率、超声波振动频率、超声波入射角度、超声波作用时间等参数，实现了采用超声波辅助工艺提高激光近净成形陶瓷结构件成形质量的目的。

附图说明

附图是超声辅助激光近净成形Al₂O₃陶瓷结构件的装置示意图。

图中：1聚焦激光束；2同轴送粉喷嘴；3粉末流；4成形件；

5螺栓；6成形基体；7超声波换能器；8压板；9支架；

10数控机床工作台。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案进一步说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，激光近净成形Al₂O₃陶瓷薄壁件的方法，采用Nd:YAG固体连续激光器进行激光近净成形，选取钛合金圆形基板为Al₂O₃陶瓷薄壁件的成形基体，高纯Al₂O₃陶瓷粉末为成形材料，氩气作为送粉和保护气体，具体实施步骤如下：

A、超声波换能器7定位在支架9上，通过压板8压紧超声波换能器7上的环形法兰盘，将超声波换能器7定位夹紧，选择总体尺寸为的钛合金(Ti-6Al-4V)基板6作为Al₂O₃陶瓷结构件的成形基体，实验前基板6用砂纸打磨并依次用丙酮、乙醇、去离子水清洗、吹干，在成形基体6上钻一个的中心孔，通过成形基体6上的中心孔、下端面与超声波换能器7上的圆柱头、圆环面配合使成形基体6完全定位在超声波换能器7端部，再通过螺栓5夹紧成形基体6；将螺栓5、成形基体6、超声波换能器7、支架9组成的超声波振动系统固定在数控机床的工作台10上；为提高粉末流动性，要求Al₂O₃球形粉末的直径为20～110μm，粉末在电热式鼓风干燥箱中100℃条件下烘干4h，放入送粉器的送粉筒中；

B、开启超声波发生器，在17～23kHz频率范围内搜索超声波振动系统的谐振频率，观察示波器上输出的正弦波波形，选择最符合输出波形特征的谐振点为19.80kHz，使整个超声波振动系统的工作频率高于所选谐振点0.2kHz，通过调整输出电流使超声波输出功率稳定在100W，在平稳超声波输出功率下使超声波振动系统工作2min，依次开启送粉器和激光器进行Al₂O₃陶瓷薄壁件成形，成形过程中所用超声波振动频率为20kHz，送粉量调整为1.2g/min，激光功率设定为300W，Z轴提升速度选为1200mm/min；

C、成形结束后顺序关闭送粉器、激光器，调整超声波发生器频率高于所选谐振频率1kHz，调整输出电流，保持输出功率为100W，延后3min关闭超声波发生器。

Claims (1)

1.一种激光近净成形Al₂O₃陶瓷结构件的方法，其特征在于以下步骤：

A、超声波换能器定位在支架上，通过压板压紧超声波换能器上的环形法兰盘，将超声波换能器定位夹紧，在Al₂O₃陶瓷结构件的成形基体上钻一个中心孔，通过成形基体上的中心孔、下端面与超声波换能器上的圆柱头、圆环面配合使成形基体完全定位在超声波换能器端部，再通过螺栓夹紧成形基体；将螺栓、成形基体、超声波换能器、支架组成的超声波振动系统固定在数控机床的工作台上；

B、开启超声波发生器，在频率为17～23kHz范围内搜索超声波振动系统的谐振频率，选择最符合输出波形特征的谐振点，成形频率偏离谐振频率0.2～0.3kHz，在超声波输出功率为50～100W下工作1～5min；

C、开启送粉器和激光器进行Al₂O₃陶瓷结构件成形；成形结束后顺序关闭激光器、送粉器，调整超声波发生器频率，使其高于所选谐振频率0.3～5kHz，调整输出电流，保持步骤B中超声波输出功率不变，延后2～5min关闭超声波发生器。