一种自预热激光成形ZrO2-Al2O3复合陶瓷薄壁件的制备方法

摘要

一种自预热激光成形ZrO2-Al2O3复合陶瓷薄壁件的制备方法，是将ZrO2粉末和Al2O3粉末烘干后分别放入送粉器中，以氩气作为送粉气体，输送到粉末喷嘴中；Nd:YAG连续激光通过光纤传输到粉末喷嘴中，形成同轴激光束照射到粉末焦点上，调整喷头和基材的距离，使激光同时加热熔化粉末和基材；控制粉末喷嘴的移动轨迹，将第一层的移动轨迹重复8-20次，利用激光束进行快速循环扫描，迅速加热金属基板，基板预热后，陶瓷粉末和基板稳定粘接在一起；送粉成形，通过叠层堆积实现陶瓷结构件的近成形制造。本发明实现了陶瓷结构件从粉末到结构件的无裂纹快速制备，无需辅助加热装置、添加粘接剂和制备陶瓷胚体，提高了生产效率。

权利要求

1.一种自预热激光成形ZrO2-Al2O3复合陶瓷薄壁件的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：A、将ZrO2粉末和Al2O3粉末烘干后分别放入送粉器两个筒中，调整送粉速率使粉末混合，混合物的比例关系为：ZrO2含量为40~60wt.%，其余成份为Al2O3；ZrO2粉末和Al2O3粉末为20~90 μm的球形陶瓷粉末；

B、调整喷嘴相对基板表面的工作距离为9~12 mm，使激光同时加热基板和陶瓷粉末，实现陶瓷和下层基板的冶金结合；

C、保证激光能量能够将陶瓷粉末熔化并不使烧蚀，激光参数范围为：激光功率为

176~286 W，扫描速度为500~700 mm/min，送粉量为1.50~2.20 g/min；

D、控制粉末喷嘴的移动路径，将第一层喷嘴移动路径重复8-20次，利用激光束进行快速循环扫描，迅速加热金属基板，并进行送粉；基板预热后，陶瓷粉末和基板稳定粘接在一起；正常送粉成形，通过叠层堆积实现陶瓷结构件的近成形制造；成形过程中采用惰性气体作为保护气体和外加冷却气体；成形过程中采用不间断成形，使成形件激光作用部位保持高温，避免激光迅速加热对成形件造成冲击，引起裂纹；

所述的激光束采用Nd:YAG固体连续激光；

所述的金属基板采用纯Ti或TC4基板；

所述的惰性气体为氩气，其纯度不小于99.9%。

说明书

一种自预热激光成形ZrO2-Al2O3复合陶瓷薄壁件的制备方

法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种陶瓷结构件的激光成形技术，特别是一种自预热激光成形ZrO2-Al2O3复合陶瓷薄壁件方法。

背景技术

[0002] 随着世界工业水平和先进制造技术的迅猛发展，对关键零部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。ZrO2和Al2O3以其高熔点、高硬度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损及化学稳定性好等良好的性能，广泛应用于机械、电子、石油、航空航天和生物医学工程等主要领域。含6～8wt.%Y2O3稳定处理的ZrO2—YPSZ，表现出较好的综合力学性能，成为结构陶瓷常用的材料；由于ZrO2对裂纹敏感性较高和低温老化等缺点，通常添加Al2O3和ZrO2进行复合，抑制ZrO2的裂纹敏感性和低温老化现象，同时提高ZrO2的中高温力学性能。因此ZrO2-Al2O3系复合材料成为广泛应用的工程结构陶瓷材料。

[0003] 激光成形技术(Laser Engineered Net Shaping-LENSTM)是一种高能激光束直接作用于粉末材料，通过使粉末熔化再凝固成形为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ZrO2-Al2O3复合陶瓷的成形制造中可以提高陶瓷结构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ZrO2-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，实现复杂陶瓷结构件的快速制备，在工程应用领域使得特种环境下的ZrO2-Al2O3陶瓷结构件替代复杂金属结构件成为可能。但是由于激光加工能量密度高、快热快冷的特点，导致材料成形过程中存在较大的温度梯度，容易引起较大的热应力，同时高温薄壁件冷却过程中容易产生较大的残余变形，极易引起成形件中裂纹的产生。尤其在金属基板上成形陶瓷结构件时，由于过大的热应力，使得陶瓷难以和金属基板粘接，使得陶瓷成形难以进行。因此激光成形ZrO2-Al2O3结构件过程中，使陶瓷和金属基板有效粘接并抑制成形件中裂纹的产生是激光成形ZrO2-Al2O3陶瓷薄壁件成功的关键。关于激光加工陶瓷材料过程中的裂纹成因以及裂纹抑制问题，以下文献均有报道：

[0004] 外国学者H. Maruo，I. Miyamoto，Y. Arata.：CO2激光焊接陶瓷，第一届激光加工国际会议》，1981年。

[0005] 中国学者李廷凯、沈志坚、丁子上：ZrO2-Al2O3系陶瓷复合材料力学性质，《硅酸盐学报》，1990年第18卷第1期。

[0006] 德国学者J. H. Ouyang，S. Nowotny，A. Richter：铝合金表面激光熔覆ZrO2（YPSZ）陶瓷涂层”，《陶瓷国际》，2000年第27卷。

[0007] 中国学者余明清：氧化锆-氧化铝复相陶瓷结构、性能与磨损机理的研究，武汉理工大学博士学位论文，2002年。

[0008] 美国学者V. K. Balla，P. P. Bandyopadhyay，S. Bose: 316L不锈钢基板上激光近净成形梯度氧化锆涂层，《材料快报》，2007年第57卷。

[0009] 中国学者周圣丰，曾晓燕，胡乾午：金属陶瓷复合涂层的激光熔覆与无裂纹的实现，《应用激光》， 2008年第29卷。

[0010] 中国学者吴东江，张强，郭东明：Al2O3陶瓷薄片CO2激光弯曲实验，《光学精密工程》，2009年第17卷。

[0011] 德国学者Hagedorn、Yves-Christian、wilkes：选择性激光熔融近净成形高性能氧化物陶瓷，2010年第5期。

[0012] 通过文献调研了解到，采用传统的热压烧结方法制备ZrO2-Al2O3系复合陶瓷，ZrO2中Al2O3不同添加量对陶瓷裂纹的抑制产生重要的影响，而激光加工与热压烧结方法具有本质区别，热压烧结方法下ZrO2-Al2O3系复合陶瓷中两种陶瓷复合比例并不适用于激光成形陶瓷方法。

[0013] 激光加工陶瓷材料过程一个最棘手的问题就是裂纹，激光成形技术中由于具有快速熔凝、急冷收缩以及残余变形收缩等特点，加之陶瓷材料固有的脆性，使得激光加工陶瓷容易诱发裂纹，甚至碎裂。针对激光成形陶瓷裂纹问题，国内外学者进行了大量研究，主要从预热、优化工艺参数、增加梯度过渡层等方面进行研究，通过优化工艺参数和添加过渡层目前没有取得较为理想的效果。通过对文献分析，陶瓷材料达到一定的温度后可表现出一定的塑性，因此对基材进行预热被认为是最有利于消除裂纹的方法之一，目前一般采用加热炉或气体火焰或电磁感应加热，这些方法加热过程缓慢，加热范围过大，容易使基材大面积氧化，加热装置复杂，装卸极不方便，且工作效率低，容易灼伤操作人员，应用前景不容乐观；有的采用双激光束进行预热，预热温度高，预热速度快，成功解决了陶瓷激光加工中裂纹的问题，但双光束装备复杂，成本高，这导致激光成形ZrO2-Al2O3陶瓷材料在世界范围内开展并不广泛。因此寻找一种简单易行、预热速度快、预热面积小且能够成形无裂纹的复杂结构ZrO2-Al2O3陶瓷薄壁件的快速制备方法显得尤为重要。

发明内容

[0014] 本发明为解决激光成形ZrO2-Al2O3陶瓷薄壁件过程中热应力过大而引起的陶瓷裂纹，使ZrO2-Al2O3陶瓷薄壁件能够应用激光近净成形技术成功制备，发挥激光近净成形技术优点，扩大陶瓷材料的应用范围和应用价值。实现ZrO2-Al2O3复合陶瓷薄壁件激光成形的关键在于：

[0015] 1、由于激光束能量非常高，能够迅速加热陶瓷至熔点，成形过程中如果陶瓷温度过低，成形过程容易引起极大的温度梯度，产生较大的热应力，从而引发裂纹，因此成形过程中成形件激光作用部位需持续保持高温，避免激光迅速加热对成形件造成冲击，引起裂纹。

[0016] 2、成形陶瓷薄壁件之前，需对基板进行预热，减小基板和高温陶瓷的温度梯度，避免裂纹产生于陶瓷/金属结合处，从而减少成形件中裂纹。

[0017] 3、工艺参数对激光成形陶瓷中裂纹形成有着重要影响，合适工艺参数须使陶瓷粉末熔化而不烧蚀，成形过程中陶瓷保持高温，减小热应力。

[0018] 4、ZrO2对裂纹的敏感性较大，添加适量Al2O3抑制ZrO2晶粒长大，减弱ZrO2对裂纹的敏感性，Al2O3过多，则ZrO2增韧作用消失，陶瓷脆性加大，也容易产生裂纹。

[0019] 本发明的目的在于提供一种ZrO2-Al2O3复合陶瓷薄壁件激光成形方法，不但可以实现陶瓷薄壁件的近成形快速制造，而且简化过程环节，陶瓷组织致密，裂纹少，提高生产效率。

[0020] 为实现上述目的，自预热激光成形ZrO2-Al2O3复合陶瓷薄壁件的制备方法，包括以下步骤：

[0021] A、将粉末烘干后分别放入送粉器中，两个筒分别盛放两种粉末，可同时输送粉末并单独调节流量，成形过程中同时输送两种粉末，输送过程中实现粉末混合，粉末混合比例调整为：ZrO2含量在40~60wt.%变化，其余成份为Al2O3；为提高成形结合质量和粉末在送粉器中的流动性，选择20~90 μm的球形陶瓷粉末。

[0022] B、根据粉末流焦点和激光焦点的相对位置关系，调整喷嘴相对基板表面的工作距离为9~12 mm，使激光同时加热基板和陶瓷粉末，实现陶瓷和下层基板的冶金结合。

[0023] C、工艺参数对陶瓷结构件成形质量影响非常大，优化后成形参数范围为：激光功率为176~286 W，扫描速度为500~700 mm/min，送粉量为1.50~2.20 g/min。

[0024] D、控制粉末喷嘴的移动路径，将第一层喷嘴移动路径重复8-20次，进行激光束快速循环自预热基板；自预热过程中输送粉末，粉末可能和金属粘接不牢，但利用陶瓷的吸收激光系数高和高熔点低传热性能，能够加快基板的预热。当基板预热到一定温度后，陶瓷即能够和金属基板粘接牢固，然后通过叠层堆积实现陶瓷结构件的近成形制造。成形过程中采用惰性气体作为保护气体和外加冷却气体。成形过程中激光束连续循环扫描，不长时间间断，即不能够使陶瓷件温度过低。陶瓷件温度过低，激光束再次加热时，由于加热迅速，会对成形件造成冲击，易引起裂纹。其中，喷嘴和激光束进行了耦合，粉末通过喷嘴形成一个锥形的粉末流，激光束穿过喷嘴中心，加热粉末流焦点，粉末喷嘴移动时激光束也同样移动。

[0025] 本发明所述的惰性气体可以采用氩气，其纯度一般不小于99.9%。

[0026] 本发明所述的固体连续激光器采用Nd:YAG固体连续激光器。

[0027] 本发明所述的金属基板采用纯Ti或TC4基板。

[0028] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0029] 1、本发明中所采用的工艺流程与以往报道的陶瓷件快速成型方案相比，制备工序少，制造周期短，且不添加粘接剂，不需粘接剂去除和热压烧结步骤，避免了因此而引起的一系列问题，陶瓷组织致密；

[0030] 2、本发明中所采用的工艺设备与以往报道的方案相比，可以和5轴精密数控机床结合，不但可以实现复杂陶瓷件的快速制造，而且可以实现近成形制造，减少后处理工序；

[0031] 3、本发明中所采用的工艺流程与以往报道的方案相比，采用激光束自预热基板，加热过程简单，基板预热速度快，加热面积小，避免基板大面积加热氧化及烧伤操作人员；

[0032] 4、本发明中所采用的工艺流程与以往报道的方案相比，综合采用预热和优化后工艺参数，实现无裂纹的陶瓷薄壁件的激光成形。

附图说明

[0033] 附图是自预热激光成形ZrO2-Al2O3复合陶瓷薄壁件装置示意图。

[0034] 图中：1固体连续激光器；2传输光纤；3喷嘴；4聚焦透镜；5激光束；6成形件；7基板；8送粉器；9惰性气体。

[0035] 具体实施措施

[0036] 下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

[0037] 实施例1

[0038] 如图所示，自预热激光成形ZrO2-Al2O3复合陶瓷薄壁件方法，本发明的实施例要求：ZrO2-Al2O3复合陶瓷薄壁件的长为16 mm，宽为2.5 mm，高为6 mm，采用JK1002型Nd：YAG固体连续激光器对ZrO2-Al2O3复合粉末进行激光成形，具体成形步骤如下：

[0039] A、按照要求选择42 ~90 μm的球形ZrO2（含8wt.%Y2O3）粉末和Al2O3（含13wt.%TiO2），将粉末放入电热式鼓风干燥箱中100 ℃下干燥4h；

[0040] B、加工前将基板6用砂纸打磨，并用酒精清洗；

[0041] C、将干燥后的粉末分别放入送粉器7中两个筒中，调整喷嘴3最底端相对基板6表面的工作距离调整为9 mm；

[0042] D、调整激光加工参数：激光功率为236 W，扫描速度为500 mm/min，调整送粉速率使ZrO2质量分数为55wt.%，Al2O3质量分数为45wt.% ，总送粉量为1.72 g/min；

[0043] 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ZrO2-Al2O3复合陶瓷粉末进行成形加工，喷嘴3按照预先编程的路径自动移动，其中前十层为自预热加工程序，在基板6上制造出长为16 mm，宽为2.5 mm，高为6 mm的薄壁成形件5，完成加工。

[0044] 其中步骤B所述的基板材料为纯Ti；步骤E所述的惰性气体为氩气，其纯度为99.99%。

[0045] 实施例2

[0046] 如图所示，自预热激光成形ZrO2-Al2O3复合陶瓷薄壁件方法，本发明的实施例要求：ZrO2-Al2O3复合陶瓷薄壁件的长为16 mm，宽为2.3 mm，高为6 mm，采用JK1002型Nd：YAG固体连续激光器对ZrO2-Al2O3复合粉末进行激光成形，具体成形步骤如下：

[0047] A、按照要求选择42 ~90 μm的球形ZrO2（含8wt.%Y2O3）粉末和Al2O3（含13wt.%TiO2），将粉末放入电热式鼓风干燥箱中100 ℃下干燥4h；

[0048] B、加工前将基板6用砂纸打磨，并用酒精清洗；

[0049] C、将干燥后的粉末分别放入送粉器7中两个筒中，调整喷嘴3最底端相对基板6表面的工作距离调整为9 mm；

[0050] D、调整激光加工参数：激光功率为200 W，扫描速度为600 mm/min，调整送粉速率使ZrO2质量分数为40wt.%，Al2O3质量分数为60wt.% ，总送粉量为1.72 g/min；

[0051] 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ZrO2-Al2O3复合陶瓷粉末进行成形加工，喷嘴3按照预先编程的路径自动移动，其中前十层为自预热加工程序，在基板6上制造出长为16 mm，宽为2.3 mm，高为6 mm的薄壁成形件5，完成加工。

[0052] 其中步骤B所述的基板材料为纯Ti；步骤E所述的惰性气体为氩气，其纯度为99.99%。