CN103159484B - ZrO2/SiC复合掺杂增韧Al2O3基陶瓷件的激光近净成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种ZrO₂/SiC复合掺杂增韧Al₂O₃基陶瓷结构件的激光近净成形方法，利用激光快速成形系统对掺杂一定比例ZrO₂、SiC粉末的Al₂O₃陶瓷粉末进行激光近净成形，具体步骤是：将一定比例的ZrO₂、SiC陶瓷粉末与Al₂O₃粉末混合烘干后放入送粉器，激光加工头与激光器通过传输光纤或透镜组连接，并以惰性气体作为送粉和保护气体，通过数控程序控制激光加工头的连续移动，在基板上实现复相陶瓷结构件的激光近净成形。本发明通过ZrO₂的相变增韧作用及SiC的颗粒掺杂增韧作用的叠加效应，可以有效改善材料的微观组织，协同提高Al₂O₃材料的断裂韧性。

Description

ZrO2/SiC复合掺杂增韧Al2O3基陶瓷件的激光近净成形方法

技术领域

本发明涉及一种ZrO₂/SiC复合掺杂增韧Al₂O₃基陶瓷件的激光近净成形方法，旨在抑制Al₂O₃陶瓷结构件激光近净成形过程中裂纹的产生及扩展。 

背景技术

随着世界工业水平和先进制造技术的迅猛发展，对结构件在特种环境下的使用寿命要求不断提高，金属材料在高温腐蚀、绝缘以及高磨损环境下的性能已经难以满足要求，比如航空航天发动机的高磨损耐高温叶轮、极端工矿条件用机械手、国防和高新技术领域特种零部件等。而陶瓷材料由于其来源的广泛性、以及独特的耐磨、耐腐蚀、高硬度以及抗高温性能，在材料家族中备受关注，各个领域均有着十分重要的应用价值。其中Al₂O₃ 蕴藏分布丰富、价格低廉，利用其机械强度高、绝缘强度大的特点，可以用于制作真空器件、厚膜和薄膜电路基板、火花塞等；利用其强度和硬度高的特性可以用作纺织瓷件、磨料磨具及切削刀具等。 

激光近净成形技术(Laser Engineered Net Shaping-LENS^TM)是一种高能束直接作用粉末材料，通过使粉末熔化再凝固成形目标结构的先进制造方法，具有优质、高效、高精度、轻量化、低成本的特点。应用在Al₂O₃陶瓷结构件的成形制造中可以细化材料的微观组织，提高陶瓷件组织致密性和成分均匀性，简化制造工艺流程，不仅可以充分发挥Al₂O₃陶瓷材料的优良性能，也为此种材料的结构件直接制造提供一种新方法，实现复杂陶瓷件的制备，在工程应用领域使得特种环境下的Al₂O₃陶瓷结构件替代复杂昂贵金属结构件成为可能。但是由于激光加工能量高、熔凝快的特点以及Al₂O₃陶瓷的本征脆性，导致激光近净成形时，陶瓷结构件容易产生裂纹，严重影响结构件的断裂韧性及最终的使用寿命。 

因此激光近净成形Al₂O₃结构件过程中，有效降低结构件内部裂纹是保证Al₂O₃陶瓷结构件韧性及使用寿命的关键。采用激光技术制备陶瓷材料的方法中，对于裂纹的抑制，以下文献有相关报道： 

美国学者V.K. Balla，S. Bose，A.Bandvopadhvav：“块体氧化铝激光近净成形（Processing of Bulk Alumina Ceramics Using Laser Engineered Net Shaping）”，《应用陶瓷技术国际杂志（International Journal of Applied Ceramic Technology）》，2008年5卷。 

俄罗斯学者I.Shishkovsky，I.Yadroitsev，Ph.Bertrand：“选择性激光烧结氧化铝-氧化锆复相陶瓷（Alumina–zirconium Ceramics Synthesis by Selective Laser Sintering/Melting）”，《应用表面科学（Applied Surface Science）》，2007年254卷。 

德国学者Hagedorn，Y.Christian，Wilkes：“选择性激光烧结成形高性能氧化物陶瓷零件（Net Shaped High Performance Oxide Ceramic Parts by Selective Laser Melting）”《物理汇刊（Physics Procedia）》，2010年5卷。 

法国学者Ph.Bertrand，F.Bayle，C.Combe等：“选择性激光烧结制造陶瓷零件（Ceramic Components Manufacturing by Selective Laser Sintering）”，《应用表面科学（Applied Surface Science）》，2007年254卷。 

通过文献调研了解到，利用激光技术成形陶瓷结构件，由于成形过程中的高能量、快速熔凝、急冷收缩以及陶瓷材料的本征脆性都会导致陶瓷结构件产生裂纹缺陷。因此解决加工过程中的裂纹开裂问题成为激光近净成形技术得以推广的关键因素。虽然上述文献提出可通过优化工艺参数、基体预热、后续保温热处理等办法来改善，但仍然存在以下缺点： 

首先，虽然相关文献报道可以通过优化工艺参数实现某种陶瓷材料的激光成形，但是往往这种工艺参数具有极大的局限性，限制了激光快速成形系统的 使用效率。 

其次，大多研究结果表明，基体预热可以有效抑制加工过程中裂纹的产生及扩展，但这种方法一方面增加了成形工艺的复杂性及成本，同时也增加了大尺寸结构件的成形难度。 

最后，后续保温热处理对于裂纹的消除作用有限，而且会严重影响成形件的尺寸精度。 

因此寻找一种简单易行且能够有效提高Al₂O₃陶瓷断裂韧性、抑制Al₂O₃陶瓷结构件激光近净成形过程中裂纹产生及扩展的方法具有重要的意义。 

发明内容

本发明为解决现有激光技术成形Al₂O₃陶瓷结构件过程中的裂纹问题，提高成形件的韧性，在Al₂O₃成形过程中同时掺杂ZrO₂及SiC粉末，利用两种材料增韧机制的叠加协同效应，起到增韧补强Al₂O₃陶瓷结构件的目的。 

为实现上述目的，ZrO₂/SiC复合掺杂增韧Al₂O₃基陶瓷件的激光近净成形方法，具体的技术方案包括以下步骤： 

A、为提高成形结合质量和粉末在送粉器中的流动性，选择直径为20~90 μm的近球形Al₂O₃粉末，添加同种粒度和形状的ZrO₂及SiC粉末，利用球磨机混合均匀后在烘干箱进行干燥处理，其中ZrO₂粉末含量为Al₂O₃、ZrO₂及SiC粉末总量的5~45wt.%，SiC粉末含量为Al₂O₃、ZrO₂及SiC粉末总量的5~25wt.%。 

B、将处理好的复合粉末放入送粉器中，调整激光加工头使粉末流焦点处于基板加工表面；同时保证粉末流焦点与激光焦点重合，以提高粉末利用率。 

C、成形过程中为发挥ZrO₂及SiC的增韧作用，调整激光功率密度为10 ⁵~10⁶W/cm²，扫描速度为200~500mm/min，送粉量为1.5~3.5g/min，以保证Al₂O₃及ZrO₂粉末熔化而保留SiC粉末处于未熔状态。 

D、打开惰性气体，为成形加工提供送粉动力和气体保护，调整送粉气压及保护气压均为0.1~0.35MPa，先后启动送粉器和激光器对添加了ZrO₂、SiC粉末的Al₂O₃陶瓷粉末按照数控程序设定的轨迹逐层进行成形加工。 

E、每层加工完后，激光加工头提升单层厚度距离，进行下一层成形，最终通过逐层叠加完成结构件。其中单层厚度由送粉量、扫描速度、激光功率等综合决定。 

ZrO₂及SiC掺杂可以抑制激光近净成形Al₂O₃陶瓷件过程中产生裂纹的原因是： 

1、当激光近净成形产生热应力时，在应力诱发下，ZrO₂四方t相会转变为单斜m相，相变吸收能量而阻碍裂纹继续扩展。 

2、SiC的弹性模量高于Al₂O₃，未熔SiC颗粒的存在可以在Al₂O₃基体内引起裂纹偏转及针扎效应，同时具有桥连增韧作用，能够抑制裂纹的扩展。 

3、上述ZrO₂及SiC的增韧作用具有叠加及协同效应，二者共同起抑制裂纹，增韧Al₂O₃的作用。 

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果： 

1、本发明中所采用的工艺流程与以往报道的方案相比，可以更加简便有效地解决激光近净成形Al₂O₃陶瓷件中出现的裂纹问题，提高Al₂O₃陶瓷的断裂韧性； 

2、本发明中所采用的工艺流程与以往报道的方案相比，只需在成形前掺入一定比例的ZrO₂及SiC粉末，简化了成形装置的复杂性，减少了附加后处理工艺； 

3、本发明中所采用的工艺流程与以往报道的方案相比，得到的Al₂O₃陶瓷结构件微观组织会更加细密，机械性能及热性能等都将得到提高。 

附图说明

附图是ZrO₂/SiC复合掺杂增韧Al₂O₃基陶瓷件的激光近净成形装置示意 图。 

图中：1固体连续激光器；2传输光纤；3激光加工头；4激光束；5成形件；6基板；7送粉器；8惰性气体。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明：如图所示，ZrO₂/SiC复合掺杂增韧Al₂O₃基陶瓷件的激光近净成形装置示意图，本发明的实施例要求： ZrO₂/SiC增韧Al₂O₃基陶瓷件的长为15mm，宽为2mm，高为10mm，采用JK1002型Nd:YAG固体连续激光器对混合粉末进行激光近净成形，具体成形步骤如下： 

A、按照要求选择直径为20~90μm的近球形Al₂O₃陶瓷粉末，掺杂同种粒度及形状的SiC及ZrO₂粉末，其中SiC粉末含量占Al₂O₃、SiC、ZrO₂三种粉末总量的10wt.%，ZrO₂粉末含量占Al₂O₃、SiC、ZrO₂三种粉末总量的15wt.%，将配比好的粉末在行星球磨机中混合24h后，在电热式鼓风干燥箱中100℃下干燥4h。 

B、加工前将成形基板6用砂纸打磨，并用酒精清洗；基板材料为Ti-6Al-4V合金。 

C、将混合并干燥处理好的复合粉末放入送粉器7中，调整激光加工头3最底端相对基板6表面的工作距离调整为9mm，使粉流焦点处于加工表面；同时调整激光加工头与光路的相对位置，使光斑焦点与粉流焦点重合。 

D、调整激光加工参数：激光功率为192W，扫描速度为300 mm/min，送粉量为1.72g/min。 

E、打开惰性气体8，调整送粉气压为0.2 MPa，流量为5 L/min，保护气压为0.1 MPa，流量为15 L/min。先后启动送粉器7和激光器1对添加了10wt.%的SiC及15wt.%ZrO₂的Al₂O₃陶瓷粉末进行成形加工，激光加工头3按照预先编程的路径自动移动，在基板6上进行逐层成形。 

F、每层加工完成后，激光加工头3提升Z向0.2mm进行下一层加工，最终通过逐层叠加制造出长为15 mm，宽为2 mm，高为10 mm的薄壁成形件5，完成加工。 

Claims (1)

1.ZrO₂/SiC复合掺杂增韧Al₂O₃基陶瓷件的激光近净成形方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

A、选择直径为20～90μm的Al₂O₃球形粉末，掺杂同样粒度和同样形状的ZrO₂粉末及SiC粉末，混合均匀并干燥处理后将其放入送粉器；

B、调整激光加工头使粉末流焦点位于基板表面并与激光焦点重合；

C、调整激光功率密度为10⁵～10⁶W/cm²，扫描速度为200～500mm/min，送粉量为1.5～3.5g/min，保证成形过程中Al₂O₃及ZrO₂粉末熔化而保留SiC粉末处于未熔或部分熔化状态；

D、打开惰性气体为成形加工提供送粉动力和保护气体，先后启动送粉器和激光器，按照设定轨迹逐层进行成形加工；

E、每层加工完后，激光加工头提升单层厚度距离，进行下一层成形，最终通过逐层叠加完成结构件；

所述掺杂ZrO₂粉末含量占Al₂O₃、ZrO₂及SiC粉末总量的比例范围为5～45wt.％，掺杂SiC粉末含量占Al₂O₃、ZrO₂及SiC粉末总量的比例范围为5～25wt.％；

所述惰性气体提供的送粉气体及保护气体的气压范围均为0.1～0.35MPa。