CN105948722A - 一种超声辅助激光近净成形Al2O3基共晶陶瓷刀具的方法 - Google Patents

一种超声辅助激光近净成形Al2O3基共晶陶瓷刀具的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种超声辅助激光近净成形Al2O3基共晶陶瓷刀具的方法，将Al2O3和另一种陶瓷粉末放入送粉器两个粉筒中，以惰性气体作为送粉和保护气体，高能激光束熔化注入熔池的陶瓷粉末。通过超声装置的预调节和实时改变辅助超声功率，实现超声对熔池的等效作用。超声的空化现象可使熔池内微小气泡上浮并脱离熔池，有效降低共晶陶瓷刀具材料的孔隙率。超声破碎理论和过冷生核理论，影响共晶纤维组织逆热流方向生长，使粗大枝状晶向胞状晶转化，共晶陶瓷刀具材料的共晶间距可达百纳米级。本发明可有效抑制陶瓷刀具材料在高温条件下裂纹的产生和缓慢长大导致材料性能退化；超声波辅助系统可有效细化晶粒，降低孔隙率，有效防止裂纹的产生。

Description

一种超声辅助激光近净成形Al2O3基共晶陶瓷刀具的方法
技术领域
本发明涉及一种刀具制造技术，尤其涉及一种超声辅助激光近净成形Al2O3基共晶陶瓷刀具的方法。
背景技术
陶瓷刀具因其硬度高，耐高温，良好的抗腐蚀性能和抗氧化能力，在高速干式切削加工领域被广泛应用。但陶瓷刀具材料因其物理性能和化学键特点，强韧性较差，这成为陶瓷刀具应用的瓶颈。共晶陶瓷刀具材料消除了传统陶瓷刀具材料界面非晶相，结构化程度和致密性得到提高，增强相分布均匀，相界面结合牢固，各向异性强，在增强了传统陶瓷刀具韧性的基础上，硬度和强度都得到进一步提高，特别是在陶瓷材料熔点附近仍保持非常高的硬度、强度和抗蠕变性，表现出优异的热稳定性和机械性能，从而有望极大地提高切削加工效率和刀具寿命，因此共晶陶瓷刀具材料成为研究热点。
目前，制备共晶陶瓷刀具材料的方法有微拉法(μ-PD法)，坩埚下降法(Bridgman法)，激光加热浮流区法(LHFZ法),边缘控制薄膜生长法(EFG)和激光近净成形法(LENS)。微拉法可将共晶间距控制在微米甚至亚微米尺寸范围内，但在加工过程中易受坩埚污染。坩埚下降法可制备尺寸形状复杂的共晶陶瓷刀具，但其凝固速率和温度梯度小，共晶间距和组织过大，无法体现共晶陶瓷刀具的优异性能。激光加热浮流区法与微拉法相比，可不受坩埚影响，避免零部件污染，但激光加热浮流区法和微拉法仅适用于小尺寸共晶陶瓷刀具的生产制造，工艺范围较窄。激光近净成形法(LENS)采用激光超高温熔粉，凝固速率快，温度梯度高，共晶间距可达亚微米级，且脱离坩埚，无需预制胚体，加工过程简单，可直接结构成形，对刀具尺寸要求不严。但激光近净成形法制备Al2O3基共晶陶瓷刀具，高的温度梯度使零件在加工过程中产生大的内应力，容易产生裂纹，且其单道多层的加工特点使垂直沉积方向存在周期性带状组织，在结合区内出现离异共晶形貌，形成伪共晶组织，降低共晶陶瓷的强度和韧性。采用超声辅助的方法，利用超声破碎理论和过冷生核理论，影响共晶纤维组织逆热流方向生长，使粗大枝状晶向胞状晶转化，共晶间距可达百纳米级。超声可预防带状区域内单一氧化物独立成核，可有效避免伪共晶组织的出现。超声的空化现象可使熔池内微小气泡上浮并脱离熔池，有效降低共晶陶瓷的孔隙率。相关报道如下：
大连理工大学专利号为ZL201310086715一种激光近净成形Al2O3-ZrO2共晶陶瓷结构件的方法，利用激光近净成形系统制备Al2O3-ZrO2共晶陶瓷结构件，但易生裂纹，加工件在垂直沉积方向存在周期性带状组织，有伪共晶结构，降低零件宏观力学性能。
大连理工大学申请号为201410239060.9一种超声辅助激光近净成形陶瓷件方法，其采用预热缓冷技术和超声辅助方法有效降低了零件裂纹的产生，提高了成形件的致密性，但其所合成的单晶陶瓷或Al2O3-YAG复合陶瓷的断裂韧性低于Al2O3-ZrO2共晶陶瓷，特别在高温条件下抑制裂纹产生和裂纹缓慢长大导致材料性能退化方面Al2O3-ZrO2共晶陶瓷优势明显；其所用超声功率不变，薄壁件成形过程中尺寸逐渐增加，熔池距离超声波换能器距离逐渐增大，无法实现超声在整个快速成形中的等效辅助作用。
发明内容
为解决传统陶瓷刀具断裂韧性差和Al2O3基共晶陶瓷刀具在激光近净成形过程中容易产生裂纹、气孔和伪共晶组织等问题，本发明提供一种高效优质且加工柔性强的超声辅助激光近净成形Al2O3基共晶陶瓷刀具的方法，不但可以提高传统陶瓷韧性和强度，而且由于成形过程中的超声辅助避免裂纹、气孔和伪共晶组织等诸多缺陷。
本发明的技术方案：
一种超声辅助激光近净成形Al2O3基共晶陶瓷刀具的方法，步骤如下：
(1)超声振动系统和激光近净成形系统的连接和预调节
将超声振动系统中的平台式超声发生装置安放在数控机床的工作台并保持平行后夹紧；开启超声波发生器，在频率为15～25kHz范围内搜索超声振动系统的谐振频率，在超声波输出功率密度为0.9～1.3W/cm2下工作3～5min；
(2)超声功率的选取和调节
通过计算平台式超声发生装置的面积S cm2，初始超声功率为0.9×S～1.2×SW，在提升量Z轴方向上高度每增加0.5cm超声功率密度增加0.05-0.2W/cm2，即形成超声平台激光近净成形Al2O3基共晶陶瓷刀具；
(3)成形结束按先后顺序关闭激光器、送粉器、惰性气体，调整超声波发生器频率，使其高于所选谐振频率0.3～5kHz，延后2～5min关闭超声波发生器。
本发明的有益效果：
1、本发明中所采用的制备方法与以往报道的方法相比，用超声破碎理论和过冷生核理论，影响共晶纤维组织逆热流方向生长，使粗大枝状晶向胞状晶转化，Al2O3基共晶陶瓷刀具材料的共晶间距可达百纳米级；
2、本发明中所采用的制备方法与以往报道的方法相比，超声可预防Al2O3基共晶陶瓷刀具材料带状区域内单一氧化物独立成核，可有效避免伪共晶组织的出现；
3、本发明中所采用的制备方法与以往报道的方法相比，超声的空化现象可使熔池内微小气泡上浮并脱离熔池，有效降低Al2O3基共晶陶瓷刀具的孔隙率。
附图说明
图1是Al2O3基共晶陶瓷刀具的超声辅助激光近净成形系统示意图。
图中：1激光器；2 Al2O3基共晶陶瓷刀具；3平台式超声发生装置；4超声波发生器；5激光测振仪。
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。
实施例1
采用Nd:YAG固体连续激光器和超声辅助装置对Al2O3和ZrO2粉末进行激光近净成形，具体成形步骤如下：
A、对超声发生装置平台3用砂纸打磨并依次用丙酮、乙醇、去离子水清洗、吹干，选择直径为40～90μm的Al2O3和ZrO2粉末，将粉末放至电热式鼓风干燥箱中100℃下干燥4h，调整超声平台3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，然后将Al2O3和ZrO2粉末分别放入送粉器的两个粉筒中；
B、开启超声波发生器4，在17～23kHz频率范围内搜索超声波振动系统的谐振频率，观察超声波发生器示波器4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20kHz，通过计算超声平台的面积200cm2，初始超声功率为180W，刀具为单道多层成形高度逐渐增加，高度每提升0.5cm超声功率密度增加0.1W/cm2；
C、打开惰性气体为激光近净成形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，先后启动送粉器的粉筒和激光器1进行Al2O3基共晶陶瓷刀具成形，送粉器粉筒A及粉筒B的送粉转速利用相应变量的赋值来分别控制，以保证Al2O3基共晶陶瓷刀具中Al2O3质量分数，设置激光功率密度105W/cm2，送粉量为2.09g/min，Z轴提升速度为1200mm/min，打印扫描速度400mm/min；
D、成形结束按先后顺序关闭激光器1、送粉器、惰性气体，调整超声波发生器4频率，使其高于所选谐振频率2kHz，延后3min关闭超声波发生器4和激光测振仪5。
实施例2
采用Nd:YAG固体连续激光器和超声辅助装置对Al2O3和SiC粉末进行激光近净成形，具体成形步骤如下：
A、实验前超声发生装置平台3用砂纸打磨并依次用丙酮、乙醇、去离子水清洗、吹干，选择直径为40～90μm的Al2O3和SiC粉末，将粉末放至电热式鼓风干燥箱中100℃下干燥5h，调整超声平台3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，然后将陶瓷粉末放入送粉器的粉筒中；
B、开启超声波发生器4，在20～22kHz频率范围内搜索超声波振动系统的谐振频率，观察超声波发生器示波器4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21.5kHz，通过计算超声平台的面积200cm2，初始超声功率为220W，刀具为单道多层成形高度逐渐增加，高度每提升0.5cm超声功率密度增加0.15W/cm2；
C、打开惰性气体为激光近净成形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，先后启动送粉器的粉筒和激光器1进行Al2O3基共晶陶瓷刀具成形，送粉器粉筒A及粉筒B的送粉转速利用相应变量的赋值来分别控制，以保证Al2O3基共晶陶瓷刀具中Al2O3质量分数，设置激光功率密度105W/cm2，送粉量为2.38g/min，Z轴提升速度为1100mm/min，打印扫描速度450mm/min；
D、成形结束按先后顺序关闭激光器1、送粉器、惰性气体，调整超声波发生器4频率，使其高于所选谐振频率3.5kHz，延后5min关闭超声波发生器4和激光测振仪5。
实施例3
采用Nd:YAG固体连续激光器和超声辅助装置对Al2O3和Si3N4粉末进行激光近净成形，具体成形步骤如下：
A、实验前超声发生装置平台3用砂纸打磨并依次用丙酮、乙醇、去离子水清洗、吹干，选择直径为40～90μm的Al2O3和Si3N4粉末，将粉末放至电热式鼓风干燥箱中100℃下干燥4h，调整超声平台3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，然后将陶瓷粉末放入送粉器的粉筒中；
B、开启超声波发生器4，在20～25kHz频率范围内搜索超声波振动系统的谐振频率，观察超声波发生器示波器4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25kHz，通过计算超声平台的面积200cm2，初始超声功率为240W，刀具为单道多层成形高度逐渐增加，高度每提升0.5cm超声功率密度增加0.2W/cm2；
C、打开惰性气体为激光近净成形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，先后启动送粉器的粉筒和激光器1进行Al2O3基共晶陶瓷刀具成形，送粉器粉筒A及粉筒B的送粉转速利用相应变量的赋值来分别控制，以保证Al2O3基共晶陶瓷刀具中Al2O3质量分数，设置激光功率密度105W/cm2，送粉量为2.56g/min，Z轴提升速度为1250mm/min，打印扫描速度500mm/min；
D、成形结束按先后顺序关闭激光器1、送粉器、惰性气体，调整超声波发生器4频率，使其高于所选谐振频率5kHz，延后5min关闭超声波发生器4和激光测振仪5。

Claims (2)

1.一种超声辅助激光近净成形Al2O3基共晶陶瓷刀具的方法，其特征在于，步骤如下：
(1)超声振动系统和激光近净成形系统的连接和预调节
将超声振动系统中的平台式超声发生装置安放在数控机床的工作台并保持平行后夹紧；开启超声波发生器，在频率为15～25kHz范围内搜索超声振动系统的谐振频率，在超声波输出功率密度为0.9～1.3W/cm2下工作3～5min；
(2)超声功率的选取和调节
通过计算平台式超声发生装置的面积S cm2，初始超声功率为0.9×S～1.2×SW，在提升量Z轴方向上高度每增加0.5cm超声功率密度增加0.05-0.2W/cm2，即形成超声平台激光近净成形Al2O3基共晶陶瓷刀具；
(3)成形结束按先后顺序关闭激光器、送粉器、惰性气体，调整超声波发生器频率，使其高于所选谐振频率0.3～5kHz，延后2～5min关闭超声波发生器；使其高于所选谐振频率0.3～5kHz，延后2～5min关闭超声波发生器。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的Al2O3基共晶陶瓷刀具中的另一种陶瓷粉末为ZrO2、Si3N4或SiC。
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