專利名稱：不同顏色Al₂O₃陶瓷件的激光近凈成形方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種不同顏色Al2O3陶瓷件的近凈成形方法，特別是高純Al2O3陶瓷件的激光近凈成形方法。
背景技術(shù)：
隨著能源、宇航、電子、軍工等尖端科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，零件通常在高溫氧化、熱腐蝕等惡劣條件下承受強(qiáng)烈摩擦磨損作用，服役條件十分惡劣，對材料性能有很高的要求，因此高強(qiáng)度，高硬度，耐高溫，耐磨損，抗腐蝕，絕熱性好的先進(jìn)陶瓷材料應(yīng)運(yùn)而生，并在這些技術(shù)革命中發(fā)揮著重要的作用，極大地促進(jìn)了陶瓷科學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用。氧化鋁陶瓷具有機(jī)械強(qiáng)度高，絕緣電阻大，硬 度高，耐磨、耐腐蝕及耐高溫等一系列優(yōu)良性能，而且在一定條件下具有良好的光學(xué)性和離子導(dǎo)電性，被廣泛應(yīng)用于陶瓷、紡織、石油、化工、建筑及電子等傳統(tǒng)行業(yè)及航空航天、國防等高新技術(shù)領(lǐng)域。現(xiàn)有的陶瓷結(jié)構(gòu)主要通過燒結(jié)成形，即利用高溫高壓條件使得陶瓷粉末壓制成形，然而該方法存在燒結(jié)結(jié)構(gòu)組織疏松、伴有缺陷、后處理工藝繁瑣，燒結(jié)復(fù)雜陶瓷結(jié)構(gòu)困難等缺點。激光近凈成形(Laser Engineered Net Shaping, LENS)是一種利用高能束直接成形目標(biāo)結(jié)構(gòu)的先進(jìn)制造方法，能夠?qū)崿F(xiàn)高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的無模具、快速、全致密近凈成形。美國SNL公司、Los Alamos國家實驗室，我國西北工業(yè)大學(xué)的黃衛(wèi)東均使用該方法獲得內(nèi)部組織致密，表面質(zhì)量良好、無缺陷的金屬結(jié)構(gòu)件。目前，公開報道的文獻(xiàn)中僅美國V.K.Balla小組采用LENS方法成形出結(jié)構(gòu)致密，組織均勻的陶瓷件。其中使用白色高純Al2O3粉末獲得的結(jié)構(gòu)件卻呈現(xiàn)為灰黑色，文獻(xiàn)中并未對該現(xiàn)象進(jìn)行分析。通常不同顏色陶瓷的獲得是在粉體階段加入一些著色化合物或引入一些著色離子使材料顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，該方法需要嚴(yán)格控制粉末化學(xué)成份配比及生成溫度，致使生產(chǎn)耗時耗力。關(guān)于陶瓷件的成形及陶瓷顏色改變以下文獻(xiàn)均有報道:V.K.Balia, S.Bose, A.Bandvopadhvav 塊體氧化招激光近凈成形(Processingof Bulk Alumina Ceramics Using Laser Engineered Net Shaping)，，，《應(yīng)用陶瓷技術(shù)國際雜志(International Journal of Applied Ceramic Technology)〉〉，2008 年 5 卷。Sheldon A.Bernard, V.K.Balia, S.Bose, A.Bandvopadhvav 激光直接成形錯欽酸鉛陶瓷(Direct laser processing of bulk lead zirconate titanate ceramics)，，，《材料科學(xué)與工程(Materials Science and Engineering B )》，2010 年 172 卷。Z.H.Liu, J.J.Nolte, J.1.Packard, G.HiImas, F.Dogan, M.C.Leu 選擇性燒結(jié)高密度氧化招陶瓷件(Selective Laser Sintering of High-density Alumina CeramicsParts)”,《第 35 屆 MATADOR 國際會議會議記錄(Proceedings of the 35th internationalMATADOR conference)》，2007 年第 351 354 頁。唐亞新，鄧琦林，張宏:“激光燒結(jié)陶瓷成形技術(shù)的研究”，《電加工》，1997年第I期。張小峰，劉維良，姜林文:“黑色氧化鋁陶瓷制備與介電性能的研究”，《中國陶瓷工業(yè)》，2010年17卷。中國學(xué)者李遠(yuǎn)強(qiáng)，徐潔:“著色Y-TZP陶瓷的研究”，《火花塞與特種陶瓷》，1993年4期。采用LENS技術(shù)成形不同顏色Al2O3陶瓷件不僅能夠避免燒結(jié)方法所固有的缺陷獲得組織致密、成份均勻的結(jié)構(gòu)件，而且不需調(diào)整粉末化學(xué)配比可直接獲得不同顏色性能各異的陶瓷件，更能夠?qū)Ρ确治黾す饨鼉舫尚渭念伾兓?，進(jìn)而確定更合理的工藝方案、改善成形件性能、提高成形件質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
為成形不同顏色高純Al2O3陶瓷件并避免現(xiàn)有方法存在的缺陷，本發(fā)明提供一種不同顏色Al2O3陶瓷件的激光近凈成形方法調(diào)整直接成形黑色、灰色和白色Al2O3陶瓷件。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:1、基體為T1-6A1_4V或純Ti，選擇直徑為2(Γ 00 μ m的球形陶瓷粉末并干燥，調(diào)整激光束光斑與粉末流焦點位置重合處的直徑相同。2、選定參數(shù)Z軸提升速度為1000 1200 mm/min ；3、針對不同的顏色，調(diào)整工藝參數(shù)在基體上成形陶瓷件:A.成形黑色Al2O3樣件時，離焦量是O mm，激光功率在17(T298 W之間，掃描速度為300 500 mm/min，送粉量選擇區(qū)間是2.0 3.2 g/min, Z軸提升量為0.15 0.2 mm。B.成形灰色Al2O3樣件時,離焦量是9 mm,送粉量選擇區(qū)間是1.2"!.61 g/min，第I飛層激光功率選在520 566 W之間，掃描速度為80(Tl000 mm/min, Z軸提升量為O mm，第7層至成形結(jié)束，激 光功率選在25(T454 W之間，掃描速度為200 500 mm/min。C.成形白色Al2O3樣件時，離焦量是8 9 mm ;成形白色陶瓷件需預(yù)先成形ZrO2和Al2O3復(fù)合陶瓷，其工藝參數(shù)為:激光功率在318 466 W之間，掃描速度為400 500 mm/min,送粉量Qzr02和Qa1203的選擇區(qū)間分別是1.85 2.1 g/min和0.6 0.62 g/min, Z軸提升量為
0.15^0.3 mm;白色Al2O3樣件成形工藝參數(shù)為:激光功率在398 520 W之間，送粉量Qa1203合理范圍是1.(Tl.6 g/min, Z軸提升量為0.05 0.15 mm，第I層掃描速度為400 520 mm/min,第2、3層掃描速度則為1100 1300 mm/min,每三層為一個循環(huán)周期。D.打開惰性氣體，調(diào)整送粉氣壓為0.15、.25 MPa，流量為Γ7 L/min，保護(hù)氣壓選擇0.08、.15 MPa，流量是12 20 L/min，啟動送粉器和激光器，激光頭按照預(yù)先編程的路徑移動完成成形。分析本發(fā)明中激光快速成形Al2O3陶瓷件呈現(xiàn)不同顏色的原因，檢測原始粉末、黑色樣件及白色樣件組成相。其中，白色樣件與原始粉末相組成相同而黑色樣件較二者多出CaAl2Si2O8、CaAl12O19^ NaAl9O14三相。成形過程中，當(dāng)冷卻速率過快時原始粉末含有的雜質(zhì)氧化物(Na 20、CaO、Fe203、SiO2)不能完全揮發(fā)，與Al2O3反應(yīng)形成新相。CaAl12O19屬于β-Al2O3，其結(jié)構(gòu)由堿金屬或堿土金屬離子層和[Al11O12] +類型尖晶石單元交疊堆積而成，O2+排列成立方密堆積，Ca+完全包含在垂直于C軸的松散堆積平面內(nèi)，金屬離子在這個平面內(nèi)能夠快速擴(kuò)散。Ca元素在擴(kuò)散過程中會在β-Al2O3陶瓷的晶格內(nèi)或多晶材料的晶界內(nèi)沉積進(jìn)而引起陶瓷材料變黑。本發(fā)明中工藝參數(shù)、成形掃描軌跡及預(yù)先成形復(fù)合陶瓷基體三方面均不同程度影響冷卻速率進(jìn)而影響雜質(zhì)氧化物揮發(fā)，進(jìn)而影響成形件組成相成份，最終成形不同顏色Al2O3陶瓷件。本發(fā)明不需要添加元素或化合物僅通過工藝方法就能實現(xiàn)同種Al2O3陶瓷粉末不同顏色樣件的成形；成形件結(jié)構(gòu)致密，力學(xué)性能、機(jī)械性能較燒結(jié)法成形陶瓷件高；能夠?qū)Ρ确治龀尚渭伾兓?，改善工藝提高成形件質(zhì)量。


圖1是Al2O3陶瓷結(jié)構(gòu)件的激光近凈成形裝置示意圖。圖2(a)是復(fù)合陶瓷基體主視圖。圖2(b)是復(fù)合陶瓷基體左視圖。圖2(c)是復(fù)合陶瓷基體俯視圖。圖中:1固體連續(xù)激光器；2傳輸光纖；3激光加工頭；4聚焦激光束；5成形件；6基板；7送粉器；8惰性氣體；9機(jī)床操作面板；10計算機(jī)。
具體實施例方式結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明。實施例1如圖1所示,高 純Al2O3陶瓷(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.73%)結(jié)構(gòu)件的激光近凈成形裝置示意圖，本發(fā)明的實施例要求:黑色Al2O3薄壁件(長15 1111]1,寬1.5 mm,高8 mm),具體成形步驟如下:(I)按照要求選擇直徑為2(Γ110 μπι的近球形Al2O3陶瓷粉末，在電熱式鼓風(fēng)干燥箱中100°C下干燥4 h；(2)加工前將成形基板6 (T1-6A1-4V或純Ti)用砂紙打磨，并用酒精清洗；(3)將干燥好的粉末放入送粉器7中，調(diào)整激光加工頭3最底端相對基板6表面的工作距離為9 mm，使粉流焦點處于加工表面；(4)調(diào)整黑色Al2O3薄壁件成形參數(shù):離焦量為O mm,激光功率為298 W,送粉量調(diào)整成2.0 g/min，Z軸提升量選擇0.15 mm，Z軸提升速度是1000 mm/min，掃描速度(V兩端=350 mm/min, V 中=300 mm/mi η)n(5)打開惰性氣體8，調(diào)整送粉氣壓為0.2 MPa,流量為5 L/min,保護(hù)氣壓選擇0.1MPa，流量是15 L/min。啟動送粉器7和激光器I輸送Al2O3陶瓷粉末成形，激光加工頭3按照機(jī)床操作面板9預(yù)先編程的路徑移動完成成形。實施例2如圖1所示,高純Al2O3陶瓷(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.73%)結(jié)構(gòu)件的激光近凈成形裝置示意圖，本發(fā)明的實施例要求:成形灰色Al2O3薄壁件(長15 mm,寬2 mm,高15 mm),具體成形步驟如下:(I)按照要求選擇直徑為2(Γ110 μπι的近球形Al2O3陶瓷粉末，在電熱式鼓風(fēng)干燥箱中100°C下干燥4 h；(2)加工前將成形基板6 (T1-6A1-4V或純Ti)用砂紙打磨，并用酒精清洗；(3)將干燥好的粉末放入送粉器7中，調(diào)整激光加工頭3最底端相對基板6表面的工作距離為9 mm，使粉流焦點處于加工表面；
(4)調(diào)整灰色Al2O3薄壁件成形參數(shù):離焦量是9 mm,送粉量調(diào)整為1.2 g/min, Z軸提升速度是1000 mm/min ;第1飛層激光功率為566 W，掃描速度為1000 mm/min, Z軸提升量為O mm，第7層至成形結(jié)束，激光功率為454 W，掃描速度為500 mm/min, Z軸提升量為 0.2 mm ；(5)打開惰性氣體8，調(diào)整送粉氣壓為0.2 MPa,流量為5 L/min,保護(hù)氣壓選擇0.1MPa，流量是15 L/min。啟動送粉器7和激光器I輸送Al2O3陶瓷粉末成形，激光加工頭3按照機(jī)床操作面板9預(yù)先編程的路徑移動完成成形。實施例3如圖1所示,高純Al2O3陶瓷(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.73%)結(jié)構(gòu)件的激光近凈成形裝置示意圖，本發(fā)明的實施例要求:成形白色Al2O3薄壁件(長15 mm,寬2 mm,高16 mm),具體成形步驟如下:(I)按照要求選擇直徑為2(Tl 10 μ m的近球形Al2O3及ZrO2陶瓷粉末，在電熱式鼓風(fēng)干燥箱中100°C下干燥4 h；(2)加工前將成形基板6 (T1-6A1-4V或純Ti)用砂紙打磨，并用酒精清洗；(3)將干燥好的粉末放入送粉器7中，調(diào)整激光加工頭3最底端相對基板6表面的工作距離為9 mm，使粉流焦點處于加工表面；(4)調(diào)整工藝參數(shù)成形陶瓷基體第I層:離焦量為9 mm，激光功率是566 W，送粉量 Qzro2 和 Qai203 分別調(diào)整為 1- 85 g/min 和 0.62 g/min,掃描速度為 500 mm/min ；(5)打開惰性氣體8，調(diào)整送粉氣壓為0.2 MPa,流量為5 L/min,保護(hù)氣壓選擇0.1MPa,流量是15 L/min。啟動送粉器7輸送Al2O3和ZrO2陶瓷粉末成形，啟動激光器1，激光加工頭3按照預(yù)先編程的路徑自動移動，在基板6上成形(長22 mm，寬12 mm，高0.5 mm)熔覆層；(6)關(guān)閉激光器，送粉器及惰性氣體；(7)調(diào)整工藝參數(shù)成形底座第2至6層:離焦量為9 mm，激光功率為318 W，送粉量Qzro2和Qai203分別調(diào)整為1- 85 g/min和0.62 g/min,掃描速度為500 mm/min, Z軸提升量設(shè)置為0.3mm, Z軸提升速度是1200 mm/min ；(8)打開惰性氣體8，調(diào)整送粉氣壓為0.2 MPa,流量為5 L/min,保護(hù)氣壓選擇0.1MPa,流量是15 L/min。啟動送粉器7輸送Al2O3和ZrO2陶瓷粉末成形，啟動激光器1，激光加工頭3按照機(jī)床操作面板9預(yù)先編程的路徑自動移動，在基板6上成形陶瓷基體(如圖2)；(9)關(guān)閉激光器，送粉器及惰性氣體；(10)調(diào)整白色Al2O3薄壁件成形參數(shù):離焦量為9 mm,激光功率為454 W,送粉量Qaimb調(diào)整為1.2 g/min, Z軸提升速度是1200 mm/min ;第I層掃描速度為500 mm/min, Z軸提升量設(shè)置為0.15 mm，第2、3層掃描速度為1200 mm/min, Z軸提升量設(shè)置為0.05 mm ;(11)打開惰性氣體8，調(diào)整送粉氣壓為0.2 MPa，流量為5 L/min，保護(hù)氣壓選擇
0.1 MPa，流量是15 L/min。啟動送粉器7輸送Al2O3和ZrO2陶瓷粉末成形，啟動激光器1，激光加工頭3按照機(jī)床操作面板9預(yù)先編程的路徑在復(fù)合陶瓷基體上成形薄壁件。
權(quán)利要求
1.一種不同顏色Al2O3陶瓷件的激光近凈成形方法，其特征在于該方法包含以下幾個步驟: A.選擇直徑為2(Γ100μ m的球形高純Al2O3和ZrO2粉末，進(jìn)行干燥處理；調(diào)整激光束光斑與粉末流焦點位置重合處的直徑相同； B.選定參數(shù)Z軸提升速度為1000 1200mm/min ； C.針對不同的顏色，調(diào)整工藝參數(shù)在基體上成形陶瓷件: 黑色Al2O3樣件:離焦量為O mm，激光功率在17(T298 W之間，掃描速度為300 500 mm/min,送粉量選擇區(qū)間是2.(Γ3.2 g/min, Z軸提升量為0.15、.2 mm ； 灰色Al2O3樣件:離焦量為8、_，送粉量選擇區(qū)間是1.2 1.61 g/min，第I飛層激光功率在52CT566 W之間，掃描速度為80(Tl000 mm/min，Z軸提升量為O mm，第7層至成形結(jié)束，激光功率在250 454 W之間，掃描速度為200 500 mm/min，Z軸提升量為0.15、.2mm ； 白色Al2O3樣件:離焦量為8 9 mm，成形白色樣件需預(yù)先成形ZrO2和Al2O3復(fù)合陶瓷基體，其成形工藝參數(shù)為:激光功率在318 466 W之間，掃描速度為40(T500 mm/min，送粉量Qzr02 和 Qa12q3 選擇區(qū)間分別是 1.85^2.1 g/min 和 0.6^0.62 g/min，Z 軸提升量為 0.15^0.3mm ;白色Al2O3樣件成形工藝參數(shù):激光功率在398 520 W之間，送粉量Qaim3的合理范圍是1.(Tl.6 g/min，Z軸提升量為0.05 0.15 mm，第I層掃描速度為400 520 mm/min，第2、3層掃描速度則為110(Tl300 mm/min,每三層為一個循環(huán)周期； D.調(diào)整送粉氣壓為0.15、.25 MPa，流量是4 7 L/min，保護(hù)氣壓為0.08、.15 MPa，流量是12 20 L/min，啟動送粉器和激光器，激光頭按照預(yù)先編程的路徑移動完成成形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光近凈成形方法，其特征在于:所述的高純Al2O3粉末純度^ 99.6%ο
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光近凈成形方法，其特征在于:所述的基體為T1-6A1-4V 或純 Ti。
全文摘要
本發(fā)明公布了激光近凈成形不同顏色Al2O3陶瓷件的工藝方法。本發(fā)明利用激光立體成形系統(tǒng)，采用同軸送粉方式，在基底上逐層累積成形樣件，通過調(diào)整離焦量，變換成形掃描軌跡，選擇性成形復(fù)合陶瓷基體，結(jié)合工藝參數(shù)的優(yōu)化成形不同顏色的Al2O3陶瓷件。本發(fā)明無需添加著色元素或化合物，僅通過工藝方法的改變可直接成形結(jié)構(gòu)致密、組織均勻的黑色、灰色和白色Al2O3陶瓷件。
文檔編號C04B35/10GK103204683SQ20131008648
公開日2013年7月17日 申請日期2013年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月18日
發(fā)明者吳東江, 孫貝, 張垚磊, 牛方勇, 馬廣義, 郭東明 申請人:大連理工大學(xué)