CN106187119A - 一种超声电磁复合场辅助激光近净成形Al2O3基共晶陶瓷刀具的方法 - Google Patents

一种超声电磁复合场辅助激光近净成形Al2O3基共晶陶瓷刀具的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公布了一种超声电磁复合场辅助激光近净成形Al2O3基共晶陶瓷刀具的方法，属于一种刀具制造领域。本发明利用超声电磁复合场辅助激光近净成形系统增材制造Al2O3基共晶陶瓷刀具，具体步骤是：将干燥并磁化处理后的Al2O3和另一种陶瓷粉末分别放入送粉器两个粉筒中，以惰性气体作为送粉和保护气体并用高能激光束熔化注入熔池的陶瓷粉末。通过附加超声电磁复合场定向排列陶瓷晶粒，减小织构化过程阻力，实现Al2O3基共晶陶瓷刀具的高度均匀织构化结构，使Al2O3基共晶陶瓷刀具的物理性能产生异向性，可获得良好导热性能和机械强度，降低陶瓷刀具切削温度，延长刀具寿命，提高生产效率。

Description

一种超声电磁复合场辅助激光近净成形Al2O3基共晶陶瓷刀具 的方法
技术领域
本发明属于一种刀具制造领域，尤其涉及一种超声电磁复合场辅助激光近净成形Al2O3基共晶陶瓷刀具的方法。
背景技术
Al2O3基共晶陶瓷刀具因其良好的红硬性和高温抗蠕变性能，可替代硬质合金在干式高速切削条件下获得更高尺寸精度、位置精度和表面质量的加工零件，可节约贵重金属，降低生产成本。激光近净成形法生产制备Al2O3基共晶陶瓷刀具，细化共晶晶粒并有效预防共晶陶瓷刀具中的气孔和微观裂纹等缺陷，优化工序，提高生产效率，因此激光近净成形法制备Al2O3基共晶陶瓷刀具成为研究热点。
超声电磁复合场辅助激光近净成形制备Al2O3基共晶陶瓷刀具，利用超声的空化现象使熔池内的共晶粒子发生震动，有效降低强磁场定向排列共晶粒子时的阻力，可获得高均匀度的织构化共晶陶瓷组织，有效提高共晶陶瓷刀具的强韧性和导热性能，相关报道如下：
大连理工大学申请号为201610390878.X一种超声辅助激光近净成形Al2O3基共晶陶瓷刀具的方法，利用超声辅助激光近净成形系统制备Al2O3基共晶陶瓷刀具，其共晶陶瓷非织构化结构，导热性能较差，大量的切削热加剧刀具主后刀面磨损和刀具前刀面月牙洼磨损，使刀具提前达到磨钝标准，缩短刀具寿命，降低生产效率。
中国学者张永伟：“强磁场诱导陶瓷织构化的研究”，华南理工大学硕士学位论文，2010年。其利用稳恒强磁场辅助胶态成型技术制备织构化单晶Al2O3陶瓷件，此种加工方法制备单晶Al2O3陶瓷较Al2O3基共晶陶瓷相比强韧性较低； 强磁场辅助胶态成型技术定向排列陶瓷晶粒较超声电磁复合场辅助激光近净成形技术相比，其织构化程度不均匀，不具备优良导热性能。
发明内容
为解决传统加工方式制备陶瓷刀具韧性低、导热性能差，本发明提供一种超声电磁复合场辅助激光近净成形Al2O3基共晶陶瓷刀具的方法，该方法提高传统陶瓷刀具韧性的基础上，极大优化了导热性能，延长了陶瓷刀具使用寿命，降低成本，提高生产效率。
本发明的技术方案：
一种超声电磁复合场辅助激光近净成形Al2O3基共晶陶瓷刀具的方法，步骤如下：
A.陶瓷粉末的磁化及超声振动系统和激光近净成形系统的预调节：将烘干后的陶瓷粉末置于稳恒强磁场工作平台并开启磁场发生器，在磁场强度为12～20T范围内磁化30min～120min；再开启超声波发生器，在频率为25～35kHz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1.3～1.5W/cm2下工作5～8min；
B.脉冲磁场发生器、超声振动系统及激光近净成形系统的参数设置和调节：脉冲磁场强度12～20T，占空比30％～60％，频率为5～20Hz，磁场方向与激光束方向平行；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1.2×S～1.5×S W，在提升量Z轴方向上高度每增加0.5cm超声功率密度增加0.2-0.4W/cm2；设置激光功率密度104～105W/cm2，送粉量为1.5～3g/min，Z轴提升速度为800～1500mm/min，打印扫描速度300～800mm/min；在超声电磁复合场内激光近净成形Al2O3基共晶陶瓷刀具；
C.成形结束按先后顺序关闭激光器、送粉器、惰性气体，延后5～8min关闭 脉冲磁场发生器和超声振动系统。
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，超声电磁复合场辅助激光近净成形织构化Al2O3基共晶陶瓷刀具，使Al2O3基共晶陶瓷刀具的物理性能产生异向性，优化导热性能，降低陶瓷刀具切削温度，延长刀具寿命；
2.本发明中所采用的制备方法与以往报道的方法相比，超声电磁复合场辅助激光近净成形法可制备织构化程度高度均匀的Al2O3基共晶陶瓷刀具，在优化导热性能的基础上刀具的强韧性得到大幅提高。
附图说明
图1是Al2O3基共晶陶瓷刀具的磁场辅助激光近净成形系统示意图。
图中：1激光器；2Al2O3基共晶陶瓷刀具；3平台式超声发生装置；
4磁极线圈；5脉冲磁场发生器；6超声波发生器；7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、超声辅助装置、稳恒强磁场和脉冲磁场装置对Al2O3和ZrO2粉末进行激光近净成形，具体成形步骤如下：
A、实验基板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，将陶瓷粉末筛取烘干后放入稳恒强磁场工作平台并开启磁场发生器，在磁场强度为15T范围内磁化60min。，然后将陶瓷粉末放入送粉器的粉筒中；
B、开启脉冲磁场发生器5，设置脉冲磁场强度15T，占空比50％，频率为 15Hz，磁场方向与激光束方向平行；开启超声波发生器6，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6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2.09g/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，延后6min关闭脉冲磁场发生器5和超声振动系统6。
实施例2
采用Nd:YAG固体连续激光器、超声辅助装置、稳恒强磁场和脉冲磁场装置对Al2O3和SiC粉末进行激光近净成形，具体成形步骤如下：
A、实验基板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4h，将陶瓷粉末筛取烘干后放入稳恒强磁场工作平台并开启磁场发生器，在磁场强度为18T范围内磁化100min。，然后将陶瓷粉末放入送粉器的粉筒中；
B、开启脉冲磁场发生器5，设置脉冲磁场强度18T，占空比40％，频率为12Hz，磁场方向与激光束方向平行；开启超声波发生器6，选择最符合输出波形特征的谐振点为30kHz，通过计算超声平台的面积200cm2，初始超声功率为 260W，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0.3W/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，延后6min关闭脉冲磁场发生器5和超声振动系统6。
实施例3
采用Nd:YAG固体连续激光器、超声辅助装置、稳恒强磁场和脉冲磁场装置对Al2O3和Si3N4粉末进行激光近净成形，具体成形步骤如下：
A、实验基板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，将陶瓷粉末筛取烘干后放入稳恒强磁场工作平台并开启磁场发生器，在磁场强度为20T范围内磁化60min。，然后将陶瓷粉末放入送粉器的粉筒中；
B、开启脉冲磁场发生器5，设置脉冲磁场强度20T，占空比50％，频率为15Hz，磁场方向与激光束方向平行；开启超声波发生器6，选择最符合输出波形特征的谐振点为32kHz，通过计算超声平台的面积200cm2，初始超声功率为280W，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0.3W/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，延后6min关闭脉冲磁场发生器5和超声振动系统6。

Claims (2)

1.一种超声电磁复合场辅助激光近净成形Al2O3基共晶陶瓷刀具的方法，其特征在于，步骤如下：
A.陶瓷粉末的磁化及超声振动系统和激光近净成形系统的预调节：将烘干后的陶瓷粉末置于稳恒强磁场工作平台并开启磁场发生器，在磁场强度为12～20T范围内磁化30min～120min；再开启超声波发生器，在频率为25～35kHz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1.3～1.5W/cm2下工作5～8min；
B.脉冲磁场发生器、超声振动系统及激光近净成形系统的参数设置和调节：脉冲磁场强度12～20T，占空比30％～60％，频率为5～20Hz，磁场方向与激光束方向平行；平台式超声发生装置的面积S cm2，初始超声功率为1.2×S～1.5×S W，在提升量Z轴方向上高度每增加0.5cm超声功率密度增加0.2-0.4W/cm2；设置激光功率密度104～105W/cm2，送粉量为1.5～3g/min，Z轴提升速度为800～1500mm/min，打印扫描速度300～800mm/min；在超声电磁复合场内激光近净成形Al2O3基共晶陶瓷刀具；
C.成形结束按先后顺序关闭激光器、送粉器、惰性气体，延后5～8min关闭脉冲磁场发生器和超声振动系统。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，Al2O3基共晶陶瓷刀具的另一种陶瓷粉末为ZrO2/Si3N4/SiC。
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