CN107043264B - 一种预制孔位的激光复合加工陶瓷阵列微孔方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种预制孔位的激光复合加工陶瓷阵列微孔方法，具体步骤为：S1.制备出复合陶瓷粉体；S2.将粉体装填入成型模具时在其中固定石墨芯，以预制阵列微孔的孔位及孔形，待陶瓷高温烧结完成后采用激光复合加工技术去除预制孔位的石墨芯，即可获得具有阵列微孔结构的陶瓷材料。通过本发明的方法，可高效高质量加工陶瓷阵列微孔，不仅提高了微孔深径比，还可控制微孔锥度，更有利于获得高度重复性的陶瓷阵列微孔结构。

Description

一种预制孔位的激光复合加工陶瓷阵列微孔方法
技术领域
本发明属于陶瓷阵列微孔加工技术领域，具体涉及一种预制孔位的激光复合加工陶瓷阵列微孔方法。
背景技术
陶瓷材料具有高强度、高硬度、耐高温、耐磨损及耐腐蚀等优异性能，已在机械、化工、电子、能源、航空航天等领域广泛应用。作为典型的硬脆材料，陶瓷加工过程中极易产生崩边、微裂纹等加工缺陷，精加工的成本和费用也很高。随着现代工业的高速发展，具有阵列微孔结构的陶瓷材料在喷墨打印机、集成电路板、涡轮发动机叶片等关键零部件制造中发挥着不可替代的作用，其加工要求更高。
阵列微孔的加工方法众多，但对材料的依赖性较大。就陶瓷的阵列微孔加工而言，传统机械钻孔不仅对钻头磨损大，而且易对工件造成不可修复的损伤，严重影响加工质量，甚至造成工件报废，效率低下；电火花加工虽然在工件与工具间无机械作用力，但陶瓷通常不导电，需要对其进行改性处理，工艺复杂；超声加工不受材料导电性的影响，靠磨料的超声振动作用去除材料，但加工效率较低，且不适宜加工深孔；激光加工不受材料硬脆特性的限制，可获得高深径比的阵列微孔，其非接触性的加工方式具有无工具损耗的优点，大幅提高了加工效率与精度，是加工陶瓷阵列微孔的理想方法。
激光的脉宽对材料加工质量的影响很大，如纳秒激光虽然加工效率较高，但易对材料造成烧蚀，产生微裂纹、重铸层及热影响区，皮秒与飞秒激光加工的热效应较小且加工质量较好、精度高，但加工效率较低。单独采用激光加工陶瓷阵列微孔，易受材料厚度限制而无法加工出理想的深孔，且孔的锥度难以控制，无法充分发挥激光加工的优势。通过预制阵列孔位的方法可有效解决这一问题。发明专利（CN201410730529.9）提出了一种震动铸造制备阵列孔金属材料新方法，通过在支架上排布孔芯并固定到浇注型腔中，采用震动方法浇注熔融金属，待凝固冷却后取出孔芯即得到阵列孔金属件，但不适用于高温烧结制备的陶瓷材料。因此，迫切需要一种预制孔位的激光复合加工陶瓷阵列微孔方法，以高效高质量加工陶瓷阵列微孔。
而现有技术当中，可加工的陶瓷材料厚度受限制，陶瓷微孔孔径精度不高且锥度难以控制，陶瓷阵列微孔加工的可重复性有待提高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是为了克服现有陶瓷阵列微孔加工过程中可加工的材料厚度受限、孔径精度不高且锥度难以控制、以及阵列微孔加工的可重复性有待进一步提高等问题，提供一种预制孔位的激光复合加工陶瓷阵列微孔方法，该方法可高效高质量加工陶瓷阵列微孔，不仅提高了微孔深径比，还可控制微孔锥度，更有利于获得高度重复性的陶瓷阵列微孔结构。
本发明的技术方案为：一种预制孔位的激光复合加工陶瓷阵列微孔方法，其特征在于，具体步骤为：
S1.制备出复合陶瓷粉体；
S2.将粉体装填入成型模具时在其中固定石墨芯，以预制阵列微孔的孔位及孔形，待陶瓷高温烧结完成后采用激光复合加工技术去除预制孔位的石墨芯，即可获得具有阵列微孔结构的陶瓷材料。
进一步的，步骤S1的具体加工方法为：将陶瓷粉体原料、烧结助剂按一定比例装入球磨罐中，并加入磨介，磨料比为2:1~5:1，以乙醇或丙酮为溶剂，经8~12小时球磨混合，得到陶瓷浆料，将它干燥、造粒后，获得复合陶瓷粉体。
进一步的，步骤S2的具体加工方法为：将复合陶瓷粉体装填入成型模具，根据阵列微孔孔径、锥度及排布特征，选取直径0.1~1mm、锥度3°~15°及长度为1~15mm的石墨芯并固定于复合陶瓷粉体中，在真空或保护气体环境下，经1600~1900℃高温烧结1~2h，冷却后即获得由石墨芯预制阵列微孔的陶瓷材料。特别的，所述的保护气体环境为充满氮气或氩气或两者的混合的气体环境。
进一步的，还包括制备成品的加工工艺步骤S3，具体为：a.将陶瓷微孔的待加工表面研磨抛光，并在乙醇或丙酮中超声清洗15~30 min；b.待表面干燥后，采用激光复合加工技术，即采用纳秒激光进行粗加工，以快速去除石墨芯轴心材料，并预留精加工余量；c.靠近陶瓷材料的石墨芯材料边缘由皮秒/飞秒激光精加工得以去除；d.加工完成后，再次在乙醇或丙酮中超声清洗15~30 min，得到成品。
根据上述方法可高效高质量获得具有高度重复性的陶瓷阵列微孔结构。
本发明的有益效果在于：
提供了一种预制孔位的激光复合加工陶瓷阵列微孔方法，可高效高质量加工陶瓷阵列微孔，不仅提高了微孔深径比，还可控制微孔锥度，更有利于获得高度重复性的陶瓷阵列微孔结构。
附图说明
图1为本发明加工方法的流程框架示意图；
图2为本发明加工陶瓷阵列微孔的流程框架示意图；
图3为本发明激光复合加工陶瓷单个微孔的流程框架示意图；
图中：1~成型模具、2~石墨芯、3~复合陶瓷粉体、4~高温烧结后的石墨芯 、5~致密化陶瓷 、6~具有阵列微孔结构的陶瓷件。
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
实施例1
一种预制孔位的激光复合加工陶瓷阵列微孔方法，其特征在于，具体步骤为：
S1.制备出复合陶瓷粉体；
S2.将粉体装填入成型模具时在其中固定石墨芯，以预制阵列微孔的孔位及孔形，待陶瓷高温烧结完成后采用激光复合加工技术去除预制孔位的石墨芯，即可获得具有阵列微孔结构的陶瓷材料。
进一步的，步骤S1的具体加工方法为：将陶瓷粉体原料、烧结助剂按一定比例装入球磨罐中，并加入磨介，磨料比为2:1，以乙醇为溶剂，经8小时球磨混合，得到陶瓷浆料，将它干燥、造粒后，获得复合陶瓷粉体。
进一步的，步骤S2的具体加工方法为：将复合陶瓷粉体装填入成型模具，根据阵列微孔孔径、锥度及排布特征，选取直径0.3mm、锥度10°及长度3mm的石墨芯并固定于复合陶瓷粉体中，在真空环境下，经1600℃高温烧结2h，冷却后即获得由石墨芯预制阵列微孔的陶瓷材料。
进一步的，还包括制备成品的加工工艺步骤S3，具体为：a.将陶瓷微孔的待加工表面研磨抛光，并在乙醇或丙酮中超声清洗15 min；b.待表面干燥后，采用激光复合加工技术，即采用纳秒激光进行粗加工，以快速去除石墨芯轴心材料，并预留精加工余量；c.靠近陶瓷材料的石墨芯材料边缘由皮秒/飞秒激光精加工得以去除；d.加工完成后，再次在乙醇中超声清洗15 min，得到成品。
根据上述方法可高效高质量获得具有高度重复性的陶瓷阵列微孔结构。
实施例2
一种预制孔位的激光复合加工陶瓷阵列微孔方法，其特征在于，具体步骤为：
S1.制备出复合陶瓷粉体；
S2.将粉体装填入成型模具时在其中固定石墨芯，以预制阵列微孔的孔位及孔形，待陶瓷高温烧结完成后采用激光复合加工技术去除预制孔位的石墨芯，即可获得具有阵列微孔结构的陶瓷材料。
进一步的，步骤S1的具体加工方法为：将陶瓷粉体原料、烧结助剂按一定比例装入球磨罐中，并加入磨介，磨料比为3:1，以丙酮为溶剂，经8小时球磨混合，得到陶瓷浆料，将它干燥、造粒后，获得复合陶瓷粉体。
进一步的，步骤S2的具体加工方法为：将复合陶瓷粉体装填入成型模具，根据阵列微孔孔径、锥度及排布特征，选取直径0.1mm、锥度5°及长度5mm的石墨芯并固定于复合陶瓷粉体中，在氮气环境下，经1800℃高温烧结1h，冷却后即获得由石墨芯预制阵列微孔的陶瓷材料。
进一步的，还包括制备成品的加工工艺步骤S3，具体为：a.将陶瓷微孔的待加工表面研磨抛光，并在乙醇或丙酮中超声清洗30 min；b.待表面干燥后，采用激光复合加工技术，即采用纳秒激光进行粗加工，以快速去除石墨芯轴心材料，并预留精加工余量；c.靠近陶瓷材料的石墨芯材料边缘由皮秒/飞秒激光精加工得以去除；d.加工完成后，再次在丙酮中超声清洗30 min，得到成品。
根据上述方法可高效高质量获得具有高度重复性的陶瓷阵列微孔结构。
实施例3
一种预制孔位的激光复合加工陶瓷阵列微孔方法，其特征在于，具体步骤为：
S1.制备出复合陶瓷粉体；
S2.将粉体装填入成型模具时在其中固定石墨芯，以预制阵列微孔的孔位及孔形，待陶瓷高温烧结完成后采用激光复合加工技术去除预制孔位的石墨芯，即可获得具有阵列微孔结构的陶瓷材料。
进一步的，步骤S1的具体加工方法为：将陶瓷粉体原料、烧结助剂按一定比例装入球磨罐中，并加入磨介，磨料比为4:1，以乙醇为溶剂，经12小时球磨混合，得到陶瓷浆料，将它干燥、造粒后，获得复合陶瓷粉体。
进一步的，步骤S2的具体加工方法为：将复合陶瓷粉体装填入成型模具，根据阵列微孔孔径、锥度及排布特征，选取直径0.5mm、锥度10°及长度7mm的石墨芯并固定于复合陶瓷粉体中，在氩气环境下，经1900℃高温烧结1h，冷却后即获得由石墨芯预制阵列微孔的陶瓷材料。
进一步的，还包括制备成品的加工工艺步骤S3，具体为：a.将陶瓷微孔的待加工表面研磨抛光，并在乙醇或丙酮中超声清洗20min；b.待表面干燥后，采用激光复合加工技术，即采用纳秒激光进行粗加工，以快速去除石墨芯轴心材料，并预留精加工余量；c.靠近陶瓷材料的石墨芯材料边缘由皮秒/飞秒激光精加工得以去除；d.加工完成后，再次在乙醇中超声清洗20 min，得到成品。
根据上述方法可高效高质量获得具有高度重复性的陶瓷阵列微孔结构。
实施例4
一种预制孔位的激光复合加工陶瓷阵列微孔方法，其特征在于，具体步骤为：
S1.制备出复合陶瓷粉体；
S2.将粉体装填入成型模具时在其中固定石墨芯，以预制阵列微孔的孔位及孔形，待陶瓷高温烧结完成后采用激光复合加工技术去除预制孔位的石墨芯，即可获得具有阵列微孔结构的陶瓷材料。
进一步的，步骤S1的具体加工方法为：将陶瓷粉体原料、烧结助剂按一定比例装入球磨罐中，并加入磨介，磨料比为5:1，以丙酮为溶剂，经10小时球磨混合，得到陶瓷浆料，将它干燥、造粒后，获得复合陶瓷粉体。
进一步的，步骤S2的具体加工方法为：将复合陶瓷粉体装填入成型模具，根据阵列微孔孔径、锥度及排布特征，选取直径0.7mm、锥度5°及长度7mm的石墨芯并固定于复合陶瓷粉体中，在氮气和氩气混合气体的环境下，经1700℃高温烧结1.5h，冷却后即获得由石墨芯预制阵列微孔的陶瓷材料。
进一步的，还包括制备成品的加工工艺步骤S3，具体为：a.将陶瓷微孔的待加工表面研磨抛光，并在乙醇或丙酮中超声清洗25min；b.待表面干燥后，采用激光复合加工技术，即采用纳秒激光进行粗加工，以快速去除石墨芯轴心材料，并预留精加工余量；c.靠近陶瓷材料的石墨芯材料边缘由皮秒/飞秒激光精加工得以去除；d.加工完成后，再次在丙酮中超声清洗25 min，得到成品。
根据上述方法可高效高质量获得具有高度重复性的陶瓷阵列微孔结构。
实施例5
一种预制孔位的激光复合加工陶瓷阵列微孔方法，其特征在于，具体步骤为：
S1.制备出复合陶瓷粉体；
S2.将粉体装填入成型模具时在其中固定石墨芯，以预制阵列微孔的孔位及孔形，待陶瓷高温烧结完成后采用激光复合加工技术去除预制孔位的石墨芯，即可获得具有阵列微孔结构的陶瓷材料。
进一步的，步骤S1的具体加工方法为：将陶瓷粉体原料、烧结助剂按一定比例装入球磨罐中，并加入磨介，磨料比为2:1，以乙醇为溶剂，经8小时球磨混合，得到陶瓷浆料，将它干燥、造粒后，获得复合陶瓷粉体。
进一步的，步骤S2的具体加工方法为：将复合陶瓷粉体装填入成型模具，根据阵列微孔孔径、锥度及排布特征，选取直径0.1mm、锥度3°及长度1mm的石墨芯并固定于复合陶瓷粉体中，在真空环境下，经1600℃高温烧结2h，冷却后即获得由石墨芯预制阵列微孔的陶瓷材料。
进一步的，还包括制备成品的加工工艺步骤S3，具体为：a.将陶瓷微孔的待加工表面研磨抛光，并在乙醇或丙酮中超声清洗15 min；b.待表面干燥后，采用激光复合加工技术，即采用纳秒激光进行粗加工，以快速去除石墨芯轴心材料，并预留精加工余量；c.靠近陶瓷材料的石墨芯材料边缘由皮秒/飞秒激光精加工得以去除；d.加工完成后，再次在乙醇中超声清洗15 min，得到成品。
根据上述方法可高效高质量获得具有高度重复性的陶瓷阵列微孔结构。
实施例6
一种预制孔位的激光复合加工陶瓷阵列微孔方法，其特征在于，具体步骤为：
S1.制备出复合陶瓷粉体；
S2.将粉体装填入成型模具时在其中固定石墨芯，以预制阵列微孔的孔位及孔形，待陶瓷高温烧结完成后采用激光复合加工技术去除预制孔位的石墨芯，即可获得具有阵列微孔结构的陶瓷材料。
进一步的，步骤S1的具体加工方法为：将陶瓷粉体原料、烧结助剂按一定比例装入球磨罐中，并加入磨介，磨料比为2:1，以乙醇为溶剂，经8小时球磨混合，得到陶瓷浆料，将它干燥、造粒后，获得复合陶瓷粉体。
进一步的，步骤S2的具体加工方法为：将复合陶瓷粉体装填入成型模具，根据阵列微孔孔径、锥度及排布特征，选取直径1mm、锥度15°及长度15mm的石墨芯并固定于复合陶瓷粉体中，在真空环境下，经1600℃高温烧结2h，冷却后即获得由石墨芯预制阵列微孔的陶瓷材料。
进一步的，还包括制备成品的加工工艺步骤S3，具体为：a.将陶瓷微孔的待加工表面研磨抛光，并在乙醇或丙酮中超声清洗15 min；b.待表面干燥后，采用激光复合加工技术，即采用纳秒激光进行粗加工，以快速去除石墨芯轴心材料，并预留精加工余量；c.靠近陶瓷材料的石墨芯材料边缘由皮秒/飞秒激光精加工得以去除；d.加工完成后，再次在乙醇中超声清洗15 min，得到成品。
根据上述方法可高效高质量获得具有高度重复性的陶瓷阵列微孔结构。
实施例7
一种预制孔位的激光复合加工陶瓷阵列微孔方法，其特征在于，具体步骤为：
S1.制备出复合陶瓷粉体；
S2.将粉体装填入成型模具时在其中固定石墨芯，以预制阵列微孔的孔位及孔形，待陶瓷高温烧结完成后采用激光复合加工技术去除预制孔位的石墨芯，即可获得具有阵列微孔结构的陶瓷材料。
进一步的，步骤S1的具体加工方法为：将陶瓷粉体原料、烧结助剂按一定比例装入球磨罐中，并加入磨介，磨料比为2:1，以乙醇为溶剂，经8小时球磨混合，得到陶瓷浆料，将它干燥、造粒后，获得复合陶瓷粉体。
进一步的，步骤S2的具体加工方法为：将复合陶瓷粉体装填入成型模具，根据阵列微孔孔径、锥度及排布特征，选取直径0.6mm、锥度12°及长度11mm的石墨芯并固定于复合陶瓷粉体中，在真空环境下，经1600℃高温烧结2h，冷却后即获得由石墨芯预制阵列微孔的陶瓷材料。
进一步的，还包括制备成品的加工工艺步骤S3，具体为：a.将陶瓷微孔的待加工表面研磨抛光，并在乙醇或丙酮中超声清洗15 min；b.待表面干燥后，采用激光复合加工技术，即采用纳秒激光进行粗加工，以快速去除石墨芯轴心材料，并预留精加工余量；c.靠近陶瓷材料的石墨芯材料边缘由皮秒/飞秒激光精加工得以去除；d.加工完成后，再次在乙醇中超声清洗15 min，得到成品。
根据上述方法可高效高质量获得具有高度重复性的陶瓷阵列微孔结构。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。需注意的是，本发明中所未详细描述的技术特征，均可以通过任一现有技术实现。

Claims (1)

1.一种预制孔位的激光复合加工陶瓷阵列微孔方法，其特征在于，具体步骤为：S1.制备出复合陶瓷粉体；S2.将粉体装填入成型模具时在其中固定石墨芯，以预制阵列微孔的孔位及孔形，待陶瓷高温烧结完成后采用激光复合加工技术去除预制孔位的石墨芯，即可获得具有阵列微孔结构的陶瓷材料；
步骤S2的具体加工方法为：将复合陶瓷粉体装填入成型模具，根据阵列微孔孔径、锥度及排布特征，选取直径0.1~1mm、锥度3°~15°及长度为1~15mm的石墨芯并固定于复合陶瓷粉体中，在真空或保护气体环境下，经1600~1900℃高温烧结1~2h，冷却后即获得由石墨芯预制阵列微孔的陶瓷材料；
步骤S1的具体加工方法为：将陶瓷粉体原料、烧结助剂按一定比例装入球磨罐中，并加入磨介，磨料比为2:1~5:1，以乙醇或丙酮为溶剂，经8~12小时球磨混合，得到陶瓷浆料，将它干燥、造粒后，获得复合陶瓷粉体；
还包括制备成品的加工工艺步骤S3，具体为：a.将陶瓷微孔的待加工表面研磨抛光，并在乙醇或丙酮中超声清洗15~30min；b.待表面干燥后，采用激光复合加工技术，即采用纳秒激光进行粗加工，以快速去除石墨芯轴心材料，并预留精加工余量；c.靠近陶瓷材料的石墨芯材料边缘由皮秒/飞秒激光精加工得以去除；d.加工完成后，再次在乙醇或丙酮中超声清洗15~30min，得到成品。
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