CN105318718B - 一种激光烧结装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光烧结装置及方法，其中装置包括激光装置，用于生成入射到被烧结样品表面的加热激光束，所述加热激光束形成功率密度及尺寸大小可调的激光光斑，所述激光光斑的尺寸不小于被烧结样品的尺寸。本发明在能耗、升降温控制、温区均匀方面均有优异性能，可有效提高烧结体的质量性能，适用于精密材料的制备、研究与开发。

Description

一种激光烧结装置及方法

技术领域

本发明涉及激光烧结技术和激光二极管(LD)阵列技术。更确切地，本发明涉及一种激光烧结装置及方法。

背景技术

传统的烧结一般采用高温烧结炉进行烧结，主要用于粉末原料制备成块状固体零部件的整体烧结，此类零部件的制备一般先通过压制原料粉末制成生坯，而后在高温炉中常压或气氛烧结。如图1所示，通过加热体1的升温使炉腔2内温度升到所需温度，从而使炉腔2内放置的试样3得到烧结。这种方式是几乎所有的非热压烧结炉的工作方式，均需要加热整个炉腔，使炉腔内的样品得到加热，因此具有以下缺点：

(1)功耗大；

(2)升温速度慢，炉腔越大升温越慢，无法满足一些高性能材料的烧结要在特定温度区域快速升温的要求；

(3)降温慢，为使炉腔保温常常使用极厚的隔热保温材料，难以满足诸如相变材料等对降温速度可调的要求；

(4)难于精确控温，炉腔内不同部位的温区不同。

这些问题会直接影响烧结工艺的精确控制，进而影响产品的质量。

激光烧结是一种激光快速成型技术(Rapid Prototype)，目前的激光烧结技术往往是选择功率较大的激光器，这些激光器的特点是激光束为单束恒定功率激光，激光光斑很小，而且光斑大小也不易调整，只适用于激光扫描烧结，而激光扫描烧结主要适用于形状和结构比较复杂的结构件的逐层烧结，对于形状和结构简单的样品，激光扫描烧结的成本较高，效率较低，而且由于是逐行逐层扫描烧结，难免会出现烧结带。这是激光烧结技术的发展和大规模应用亟需解决的技术问题，直接影响到烧结体的质量和性能。

发明内容

针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种以激光光束直接加热试样的烧结方式，此方式使得试样整个面受热均匀、扩散快、且具有无需整体加热炉腔、功耗更低和升温/降温速度更快且精确可控的特点，有利于获得高性能的烧结体，特别地，适用于难成型、难烧结的荧光陶瓷材料的制备。

具体地，本发明提供了一种激光烧结装置及方法，其中激光烧结装置包括激光装置，用于生成入射到被烧结样品表面的加热激光束，所述加热激光束形成功率密度及尺寸大小可调的激光光斑，所述激光光斑的尺寸不小于被烧结样品的尺寸。

所述激光光斑的尺寸不小于被烧结样品的尺寸，使得被烧结样品的整个面受热均匀，然后热量由直接受热面快速扩散到被烧结样品的整体，从而实现快速烧结；如果激光光斑的尺寸小于被烧结样品的尺寸，那么被烧结样品表面会有局部区域不能照射到激光，导致样品受热不均匀，从而产生烧结体表面卷曲、成球等缺陷，而且受热不均匀还会直接引起最终烧结体的致密度不均匀，整体质量差；如果激光光斑的面积远远大于被烧结样品的尺寸，那么会有大量的激光被浪费，不利于节能降耗，所以激光光斑的面积以略大于被烧结样品的尺寸为宜。

所述被烧结试样对激光有一定的吸收率，如果对蓝、红激光反射率极高，那么并不适宜激光直接烧结，也就不适用本发明所述的烧结装置和方法。

优选地，所述激光装置包括电源和激光二极管阵列，所述激光二极管阵列为多颗激光二极管单元以阵列式排列而成，所述激光二极管阵列出射的多束激光束组合形成所述加热激光束。

优选地，所述激光装置还包括光学模块，所述光学模块包括调焦模组，实现对激光光斑功率及大小的调节。

优选地，所述调焦模组为透镜阵列，所述透镜阵列包括多个与激光二极管单元组一一对应的透镜，或其他可以实现调焦功能的光学元件。

更优选地，所述光学模块还包括准直模组。

优选地，所述准直模组为包括多个与激光二极管单元一一对应设置的准直透镜或其他可以实现准直功能的光学元件。

优选地，所述激光烧结装置还包括测温装置，所述测温装置用以实时测量被烧结样品检测点处的温度。

优选地，所述激光烧结装置还包括控制单元，所述控制单元的一端与所述激光装置的电源连接，另一端与所述测温装置连接；所述控制单元响应来自所述测温装置的检测信号，进而控制所述激光装置的电源通过调整电源参数来控制所述激光光斑的功率密度输出。

优选地，所述激光装置的电源为脉冲-直流控制电源。

优选地，所述激光二极管为蓝色激光二极管。

优选地，所述被烧结样品是由被烧结粉末经过压制或注射成型得到的生坯。

优选地，所述测温装置为一红外测温仪，所述红外测温仪用以监控被烧结样品表面的温度，并反馈给所述控制单元，从而修正控温程序。

优选地，所述激光烧结装置还包括一密闭腔体，其中，

所述被烧结样品设置在所述密闭腔体内部的底端，其中，

所述密闭腔体的上端设有由透光材料密封的入光口，激光可以经由入光口直接照射在所述被烧结样品上；

所述密闭腔体还设有第一气管，所述第一气管用以将气体导出所述密闭腔体。

优选地，所述测温装置为一热电偶，所述热电偶的一端连接所述被烧结样品的底面烧结部位，另一端连接所述控制单元，其中，

所述热电偶测试所述被烧结样品底面的温度，并反馈给所述控制单元，从而修正控温程序。

优选地，所述测温装置还包括一红外测温仪，所述红外测温仪与所述控制单元连接，其中，

所述红外测温仪监控被烧结样品表面的温度，并与所述热电偶配合，从而实现更精确的控制。

优选地，所述密闭腔体上还设有第二气管，所述第二气管用以将气体导入所述密闭腔体。

优选地，所述激光光斑的功率密度呈梯度分布，用以实现温度梯度烧结。

优选地，所述激光烧结装置包括至少两个测温装置，其中，

每个测温装置可以测试所述激光光斑的不同区域的温度，监控被烧结样品的不同梯度区域的表面温度，并反馈给所述控制单元，从而修正控温程序。

另外本发明还公开了一种激光烧结方法，包括以下步骤：

将激光光斑的功率密度及尺寸大小可调的加热激光束直接照射在被烧结样品的表面，其中所述激光光斑的尺寸不小于被烧结样品的尺寸；

所述被烧结样品在预设的烧成制度下完成烧结。

其中，烧成制度为通过高温处理，使坯体发生一系列物理化学变化，形成预期的矿物组成和显微结构，从而达到固定外形并获得所要求效果的工序。

具体包括：

温度制度：包括各阶段的升温速度、最高烧成温度和保温时间。

气氛制度：各阶段所对应的气氛要求(比如：氧化、中性、还原)。

压力制度：为了保证温度、气氛制度的实现，对窑内压力的调节。

烧结过程中通过调整加热激光束的开关、激光光斑的功率密度输出等来实现烧结过程的温度控制和时间控制。

本发明的激光烧结装置利用激光束作为热源对待烧结样品进行烧结，激光光斑的功率密度及尺寸大小可调，而且激光光斑的尺寸不小于被烧结样品的尺寸，使得整个被烧结样品的表面受热均匀、由面到体热扩散快，从而实现快速整体烧结，解决了传统烧结炉需整体加热炉腔引起的热损耗问题，具有功耗低、升温/降温速度快的优点；另一方面，测温装置、控制单元以及电源的配合使得本发明在能耗、升降温控制、温区均匀等方面均有优异性能，可有效提高烧结体的质量性能，适用于精密材料的制备、研究与开发。

附图说明

图1是传统烧结技术中高温炉的结构示意图；

图2是本发明实施例一的激光光斑和试样尺寸示意图；

图3是本发明实施例一激光烧结装置结构图；

图4是本发明实施例一的激光器在不同电流下的功率示意图；

图5是本发明实施例二激光烧结装置结构图；

图6是本发明实施例三激光烧结装置结构图；

图7是本发明实施例四的激光光斑和试样尺寸示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例为实施本发明的较佳实施方式，所述描述是以说明本发明的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围应当以权利要求所界定者为准，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明公开了一种烧结装置，目的是使得试样整个面受热均匀、扩散快、且具有无需整体加热炉腔、功耗更低和升温/降温速度更快且精确可控的特点，有利于获得高性能的烧结体，特别地，适用于难成型、难烧结的荧光陶瓷材料的制备。根据本发明，在能耗、升温控制、降温控制、温区均匀方面均有优异性能，可有效提高烧结体的质量性能，适用于精密材料的研究开发。根据本发明，激光烧结装置包括激光装置，用于生成入射到被烧结样品表面的加热激光束，所述加热激光束形成功率密度及尺寸大小可调的激光光斑，所述激光光斑的尺寸大于不小于被烧结样品的尺寸，试样在烧结过程中被光斑完全覆盖。

优选地，所述激光装置包括电源和激光二极管阵列，所述激光二极管阵列为多颗激光二极管单元以阵列式排列而成，所述激光二极管阵列出射的多束激光束组合形成所述加热激光束。

优选地，所述电源为脉冲-直流控制电源。

优选地，所述激光装置还包括光学模块，所述光学模块包括调焦模组，实现对激光光斑功率及大小的调节。

通过调整电源的电压、电流、脉冲占空比等参数来控制激光二极管发出强弱不同但光斑大小不变的激光束；或者通过调整激光装置的光学模块，使得被烧结样品处于光学模块的聚焦或离焦区域来控制激光光斑的大小以及功率密度输出，由于是直接对试样进行加热，无需加热炉腔，因此温度控制可以更迅速精准，结合烧结系统装置的设计，可满足多种类型的快速升温、降温烧结要求。

实施例一：

将多颗大功率蓝光LD在支架上进行阵列排列，每一颗LD上均可加装独立的透镜形成透镜阵列，通过调整透镜阵列可调整这些蓝光LD的光斑大小及排列，如图2所示：

图2a为激光光斑，由16颗激光二极管射出的光斑组合而成，图2b为待烧结试样的大小示意图，其尺寸略小于光斑尺寸，可被光斑全部覆盖。激光二极管的数量可根据光斑和烧结要求进行选择，烧结10mm×10mm尺寸之内的试样，光斑尺寸较好调整，功率密度也可有效保证。此外，蓝光激光二极管仅为举例，可根据被烧结材料对激光的吸收率选择任意类型的激光二极管，一般来说红光和蓝光激光二极管的功率较大，比较适合此应用，处于成本考虑可以选择蓝光，这里不作具体的限制。

图3是本实施例的激光直接烧结示意图，被烧结材料粉末充分混合干燥造粒后，经过压力压制成型和等静压后，得到生坯3，尺寸为8mm×8mm，放置在耐热低热导的承烧片4之上。激光器5含多颗阵列排列的蓝光LD，其光斑尺寸为9mm×9mm，激光器5受脉冲-直流控制电源6及控制单元7控制，可依照程序响应输入的脉冲电流和直流电流，发出强弱不同但光斑大小不变的激光束。红外测温仪8主要监控生坯表面的温度，反馈于控制单元7，从而修正控温程序。

如图4所示三幅图分别为低占空比脉冲电流4a、高占空比脉冲电流4b以及直流电流4c的功率示意图。烧结开始时，激光器通入低电流、低占空比脉冲电流，其中，低占空比脉冲电流下的激光照射可保证试样的相对缓慢升温，随着脉冲电流的不断增强，试样也随之升温。在脉冲电流占空比不断提升的过程中，可保持电压、电流不变，当脉冲电流逐渐达到直流之后，继续升温主要靠逐渐提升电流来达到。在升温过程中，测温仪实时检测试样的温度变化，当升温速度超过程序所设时，可通过控制单元对电流进行调整修正。

到达烧结温度时，采用高电流的脉冲电流进行保温，使用脉冲电流主要是易于调整光斑的输出功率。降温阶段，激光器输入电流逐渐减小，测温仪则实时监控试样的降温速率，通过控制单元来修正与程序的匹配。如需要快速降温，可直接将激光器关闭。

激光器输出功率的变化，主要与电压、电流、脉冲电流的占空比、脉冲电流的频率有关。这四个主要参数的变化都可以改变激光器的功率输出，在进行程序设计的时候，要根据激光器功率的变化幅度、变化速度来确定调整参数的方式，以上的方式仅为举例，并不做具体的限定。

实施例二：

实施例二提供了一种激光直接烧结装置，首先获取多颗大功率蓝光LD，将他们在支架上进行阵列排列，每一颗LD上均可加装独立的准直透镜，在激光传播的下游光路上再设置聚焦透镜，通过调整聚焦透镜可调整蓝光LD的激光光斑的大小及排列，使得激光光斑的尺寸略大于试样表面的尺寸，如图2所示。

装置的结构图如图5所示，隔热支撑件4放置在一个密闭的腔体中，隔热支撑件4主要起承烧板的作用，同时其热导率很低，以防烧结试样的热量流失。热电偶9镶嵌在支撑件的表面，与烧结试样的下表面相接触。被烧结试样的材料粉末经充分混合干燥造粒后，经过压力压制成型和等静压后，得到生坯3，尺寸为8mm×8mm，放置在耐热低热导的支撑件4之上，底部与热电偶9接触。激光器1含多颗阵列排列的蓝光LD，其光斑尺寸为9mm×9mm，激光器1受脉冲-直流控制电源6及控制单元7控制，可依照程序响应输入的脉冲电流和直流电流，发出强弱不同但光斑大小不变的激光束10。密闭容器的上表面镶嵌有一块玻璃透镜11，具有较高的强度以抵抗抽真空时的压力，具有极高的透明度和蓝光透过率，以供激光束的透过。除此以外，容器还有第一气管121，通过此气管把密闭腔体抽成真空，从而实现真空烧结。

烧结开始时，激光器5通入低占空比、低频率的脉冲电流，低占空比脉冲电流下的激光照射可保证试样的相对缓慢升温，试样被光斑完全覆盖可保证试样整体的均匀加热。热电偶9检测的温度数据反馈给控制单元，控制单元控制脉冲电源逐渐提高脉冲电流的占空比和频率，试样也随之升温，所需升温速度越快，脉冲电流占空比和频率提高得也越快。在脉冲电流占空比、频率不断提升到接近直流电流时，可将电流转为直流，此时继续升温主要靠逐渐提升电流大小来达到。

由于脉冲电流更易于控制，也可采用分阶脉冲电流输入的控制方法，例如：当电压恒定为120V时，可先设置电流为1A的脉冲电流，在相应的频率下占空比为从10％到90％可调，占空比变化到90％时，转为直流1A，直流电流从1A逐渐提高到5A，然后改变为10A脉冲电流，占空比从10％到90％，转直流后继续升高一定电流后再转脉冲。直流-脉冲电流的设置可根据实际烧结需要，特别是升温阶段和保温阶段来进行按需调整，以上只为举例，并不做具体的限定。

到达烧结温度时，采用高电流的脉冲电流进行保温，使用脉冲电流主要是有利于配合热电偶9调整激光的输出功率。降温阶段，激光器5输入电流逐渐减小，测温仪则实时监控试样的降温速率，通过控制单元来修正与程序的匹配。如需要快速降温，可直接将激光器关闭。

与实施例一相比，本实施例的烧结装置可实现真空烧结，能有效增加试样的致密度。当需要真空烧结时，接入真空泵保持烧结过程的真空度，同时较高的真空度有利于烧结试样的热量保存，利于快速升温。

实施例三：

本实施例提供了一种功能扩展型激光直接烧结装置，如图6所示为本实施例的结构图，与实施例二的主要区别是增加了监控烧结体表面温度的红外测温仪8，红外测温仪8与热电偶9均与控制单元7相连，同时将烧结体3的上下表面温度实时反馈给控制单元7，易实现更精确的控制。其次，增加了第二气管122，两个气管配合可使系统实现真空烧结、气氛烧结、流动性还原气氛烧结，在一些特殊条件下还可实现气氛降温、流动气氛加速降温。

本实施例中烧结时的脉冲-直流电流输入方式与实施例二类似，检测烧结体表面的红外测温仪8和检测烧结体底部的热电偶9的紧密配合，可更精准地控制试样的温度。

当需要真空烧结时，封闭第二气管122后抽真空即可。

当需要气氛烧结时，可先封闭第二气管122，第一气管121接真空泵进行抽真空。抽完真空后封闭第一气管121，第二气管122接气瓶后打开，充入所需气体，然后封闭第二气管122，打开第一气管121再次抽真空。重复3次后，腔体内的空气被最大限度排除，再次打开第二气管122充入所需气体，得到气体烧结气氛。

当需要流动性还原气氛烧结时，可先封闭第二气管122，第一气管121接真空泵进行抽真空。抽完真空后封闭第一气管121，第二气管122接气瓶后打开，充入所需气体，然后封闭第二气管122，打开第一气管121再次抽真空。重复3次后，腔体内的空气被最大限度排除，此时打开第二气管122持续充入所需气体，充气一定时间后，卸载第一气管121所接的真空泵，将第一气管121打开，与空气气氛连接。腔内气体流动即为从第二气管122流入，从第一气管121流出，可实现流动还原性气氛烧结。

在一些特殊情况下需要快速降温时，如果是真空烧结，则可先关闭激光器5，从第二气管122通入惰性气体(或其他所有类型的不与高温试样反应的气体)，然后打开第一气管121，使气体形成流通通路，然后根据需要可以加大通气量以更快速度降温。如果是气氛烧结，则可直接打开第一气管121然后增大气体流量即可。

烧结装置的腔体形状仅为举例，并不仅限于以上所述，特别是需要考虑气体流动的装置，其腔体可根据需要进行特殊的设计。

实施例四：

当需要烧结一些特殊结构的材料时，比如梯度功能材料，其与均一材料、复合材料均不同，它是选用至少两种性能不同的材料，通过连续地改变这两种(或多种)材料的组成和结构，使其界面消失导致材料的性能随着材料的组成和结构的变化而缓慢变化。由于其梯度变化的材料构成特点，所以需要精确控制梯度变化的激光光斑来进行烧结。具体实施例如图7b所示，被烧结材料由两个组分组成，材料的中部的组分需要的烧结温度较高，四周的组分需要的烧结温度相对较低，可通过调整激光光斑的组成结构来实现，如图7a，激光器的光斑由多个小光斑组成，每一个小光斑对应的是一个激光二极管，每一个激光二极管可通过光学设计进行单独调焦，然后将各小光斑排列汇聚成光斑整体。为了便于控制，可将外圈的大光斑归为一组，内圈的小光斑归为一组，分别与控制单元和电源相连，此时需要2个不同的测温仪分别测试两个区域的温度，再经过控制单元进行功率输出修正。以上仅为举例说明，具体需要测温装置的数量根据具体情况而定，这里不作具体的限制。

得益于激光二极管的阵列组合，激光烧结光斑可设计成各种各样复杂的形式，但是分区越多，后端设计也越复杂，可根据应用的效果和成本控制进行按需选择。

本发明还公开了一种激光烧结的方法，包括以下步骤：

将激光光斑的功率密度及尺寸大小可调的加热激光束直接照射在被烧结样品的表面，其中所述激光光斑的尺寸不小于被烧结样品的尺寸，被烧结样品在烧结过程中被光斑完全覆盖；

烧结过程中通过调整加热激光束的开关、激光光斑的功率密度输出等参数实现烧结过程的温度控制和时间控制，使所述被烧结样品在预设的烧成制度下完成烧结。

上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (15)

1.一种激光烧结装置，包括激光装置，用于生成入射到被烧结样品表面的加热激光束，其特征在于，所述加热激光束形成功率密度及尺寸大小可调的激光光斑，所述激光光斑的尺寸不小于被烧结样品的尺寸；所述被烧结样品的材料为梯度功能材料，所述激光光斑的功率密度呈梯度分布，用以实现温度梯度烧结；所述激光光斑由多个小光斑组成，每一个所述小光斑对应一个激光二极管，并对所述激光二极管进行单独调焦。

2.如权利要求1所述激光烧结装置，其特征在于，所述激光装置包括电源和激光二极管阵列，所述激光二极管阵列为多颗激光二极管单元以阵列式排列而成，所述激光二极管阵列出射的多束激光束组合形成所述加热激光束。

3.如权利要求1所述激光烧结装置，其特征在于，所述激光装置还包括光学模块，所述光学模块包括调焦模组，实现对激光光斑功率及大小的调节。

4.如权利要求1所述激光烧结装置，其特征在于，所述激光烧结装置还包括测温装置，所述测温装置用以实时测量被烧结样品检测点处的温度。

5.如权利要求4所述激光烧结装置，其特征在于，所述激光烧结装置还包括控制单元，所述控制单元的一端与所述激光装置的电源连接，另一端与所述测温装置连接；所述控制单元响应来自所述测温装置的检测信号，进而控制所述激光装置的电源通过调整电源参数来控制所述激光光斑的功率密度输出。

6.如权利要求2所述激光烧结装置，其特征在于，所述激光装置的电源为脉冲-直流控制电源。

7.如权利要求2所述激光烧结装置，其特征在于，所述激光二极管为蓝色激光二极管。

8.如权利要求1所述激光烧结装置，其特征在于，所述被烧结样品是由被烧结粉末经过压制或注射成型得到的生坯。

9.如权利要求5所述激光烧结装置，其特征在于，所述测温装置为一红外测温仪，所述红外测温仪用以监控被烧结样品表面的温度，并反馈给所述控制单元，从而修正控温程序。

10.如权利要求1所述激光烧结装置，其特征在于，所述激光烧结装置还包括一密闭腔体，其中，

所述被烧结样品设置在所述密闭腔体内部的底端，其中，

所述密闭腔体的上端设有由透光材料密封的入光口，激光可以经由入光口直接照射在所述被烧结样品上；

所述密闭腔体还设有第一气管，所述第一气管用以将气体导出所述密闭腔体。

11.如权利要求5所述激光烧结装置，其特征在于，所述测温装置为一热电偶，所述热电偶的一端连接所述被烧结样品的底面烧结部位，另一端连接所述控制单元，其中，

所述热电偶测试所述被烧结样品底面的温度，并反馈给所述控制单元，从而修正控温程序。

12.如权利要求11所述激光烧结装置，其特征在于，所述测温装置还包括一红外测温仪，所述红外测温仪与所述控制单元连接，其中，

所述红外测温仪监控被烧结样品表面的温度，并与所述热电偶配合，从而实现更精确的控制。

13.如权利要求10所述激光烧结装置，其特征在于，所述密闭腔体上还设有第二气管，所述第二气管用以将气体导入所述密闭腔体。

14.如权利要求5所述激光烧结装置，其特征在于，所述激光烧结装置包括至少两个测温装置，其中，

每个测温装置可以测试所述激光光斑的不同区域的温度，监控被烧结样品的不同梯度区域的表面温度，并反馈给所述控制单元，从而修正控温程序。

15.一种激光烧结方法，采用如权利要求1所述的激光烧结装置，其特征在于，包括以下步骤：

将激光光斑的功率密度及尺寸大小可调的加热激光束直接照射在被烧结样品的表面，其中所述激光光斑的尺寸不小于被烧结样品的尺寸，被烧结样品在烧结过程中被光斑完全覆盖；所述被烧结样品的材料为梯度功能材料,精确控制梯度变化的激光光斑来进行烧结；

所述被烧结样品在预设的烧成制度下完成烧结。

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