一種超聲輔助雷射近淨成形陶瓷件的方法
2023-04-26 10:56:51
一種超聲輔助雷射近淨成形陶瓷件的方法
【專利摘要】本發明屬於增材製造領域，涉及一種超聲輔助雷射近淨成形陶瓷件的方法。將基板實時預熱緩冷引入超聲輔助雷射近淨成陶瓷件中，具體為：將超生波換能器置於加熱板中心的預置孔內，將基板與超生換能器端面剛性連接並保證基板底面與加熱板一定距離；先開啟加熱板電源，滯後開啟超聲波發生器，通過溫控器控制基板加熱溫度；在基板加熱與超聲振動的持續作用下進行熔覆成形，成形結束後先關閉超聲波發生器，滯後關閉加熱板電源，通過溫控器控制成形件緩慢冷卻。本發明中基板實時預熱緩冷與超聲振動兩種輔助效果耦合強化，輔助成形陶瓷件形狀尺寸不受制約，通過兩種輔助手段的耦合實現低缺陷三維陶瓷件雷射近淨成形。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發明屬於增材製造領域，涉及一種超聲輔助雷射近淨成形陶瓷件的方法。 一種超聲輔助雷射近淨成形陶瓷件的方法 技術背景
[0002] 工程陶瓷具有耐磨損、耐高溫、抗腐蝕、高強度、高硬度、低密度等優點，能夠在高 溫、強腐蝕、高磨損等極端環境下保持良好的使用性能，被認為是未來最有前景的工程材料 之一，其優異性能在航空航天，軍事國防，生物醫學等領域具有重要的應用價值。
[0003] 陶瓷材料傳統的加工方法主要是燒結法，包括壓坯和燒結兩個步驟。該方法製備 的陶瓷內部組織疏鬆，缺陷多，緻密性差，機械和力學性能較低。此外該方法具有製備陶瓷 件形狀尺寸受模具限制，加工工藝複雜，製造周期長等缺點。因此尋找一種能克服上述缺 陷，製備高性能陶瓷零件的新方法成為各國研究人員關注的重點。
[0004] 近年來，隨著雷射熔覆技術的發展和該技術在金屬零件直接製造方面的成功應 用，關於雷射金屬表面熔覆陶瓷塗層和雷射直接成形陶瓷結構件的研究逐步展開。雷射近 淨成形是雷射直接熔覆成形技術中的一種，高能雷射束作用在基板上形成熔池並將同軸送 粉粉末融化，雷射輻照結束後，熔池凝固成形，通過控制雷射掃描路徑和成形層數得到預定 三維結構件。雷射近淨成形的方法製備陶瓷件具有內部組織緻密、機械力學性能好、製造周 期短、不受零件形狀限制等優點，可實現快速無模柔性化製造。但是陶瓷材料屬於脆性材 料，成形過程中材料經歷極冷極熱作用而產生較大熱應力，極易出現裂紋和氣孔等缺陷，解 決雷射近淨成形陶瓷件中的裂紋和氣孔等缺陷成為目前研究的重點。超聲振動在熔池中 的空化、聲流等作用具有均化熔池溫度，降低應力；加速熔池中氣體逸出，提高材料緻密性； 打斷長枝晶、細化晶粒等效果。目前已有將基板超聲振動引入雷射熔覆成形技術中的相關 文獻報導。
[0005] 瀋陽航空航天大學申請號為201310061962. 3的發明專利中提出了一種超聲輔助 雷射修復鈦合金的方法。將基板超聲振動引入到雷射熔覆修復鈦合金表面的技術中。然而 雷射熔覆過程中熔池凝固速度快，超聲對熔池的作用時間較短，另外僅通過基板超聲振動 抑制裂紋和氣孔等缺陷的效果較小。
[0006] 銅陵學院王東升等人在申請號為201110364330. 5的發明專利中提出一種雷射多 層熔覆製備納米塗層的方法，通過使用納米陶瓷粉末、溫度閉環控制、基板預熱和引入超聲 振動方法抑制裂紋。該發明目的在於熔覆陶瓷塗層，其預置粉末薄片的工藝難於將基板預 熱和超聲振動用於成形大尺寸三維陶瓷件；此外，該方法通過保溫箱預熱基板得到的塗層 尺寸和形狀受保溫箱限制。
【發明內容】
[0007] 為克服現有超聲輔助雷射熔覆陶瓷材料方法中超聲對熔池作用時間較短、抑制陶 瓷件中裂紋及氣孔等缺陷的效果較小等方面的不足，本發明提出了一種超聲輔助雷射近淨 成形陶瓷件的方法。
[0008] 本發明將基板實時預熱緩冷引入到超聲輔助雷射近淨成形陶瓷件技術中，通過基 板預熱與超聲振動耦合輔助雷射近淨成形陶瓷件。通過基板實時預熱緩冷，增大熔覆成形 中熔池大小，減緩凝固速度，延長超聲振動產生的空化、聲流和機械振動等對熔池的作用時 間，強化超聲振動在雷射近淨成形陶瓷件中的作用。同時超聲的熔池溫度均化作用又與預 熱緩冷降低成形件溫度梯度的效果相疊加，從而兩種輔助效果起到耦合強化的作用。基板 溫度與超聲功率等輔助參數的數值匹配優化進一步增強了耦合輔助在雷射近淨成形陶瓷 件中抑制裂紋和氣孔等缺陷的作用。此外，該方法中實時預熱緩冷與超聲振動耦合輔助的 熔覆成形系統為同軸送粉雷射近淨成形系統，基板預熱裝置為加熱板，耦合輔助成形陶瓷 件不受形狀尺寸制約，拓展了基板預熱和超聲振動耦合輔助雷射成形陶瓷材料的應用範 圍。
[0009] 本發明的目的在於提供一種低裂紋、低氣孔的三維陶瓷件超聲輔助雷射近淨成形 方法，實現三維陶瓷件的高質量雷射近淨成形，為達到上述目的，本發明提供了一種超聲輔 助雷射近淨成形陶瓷件的方法，具體步驟如下：
[0010] A、將烘乾後陶瓷粉末置於送粉器9的送粉筒內。
[0011] B、將超聲波換能器8貫穿於加熱板7上開設的中心孔並固定，將基板5置於超聲 波換能器8上端，基板5與超聲波換能器8之間有隔熱板6,隔熱板6、基板5和超聲波換 能器8三者剛性連接；基板5的底面距離加熱板7的上端面2-10mm。將超聲波換能器8與 加熱板7固定在工具機工作檯上；開啟超聲波發生器11，找到所需的基板5的諧振點，將雷射 同軸送粉噴嘴3移動到上述諧振點的上方作為熔覆起點，記錄此時雷射同軸送粉噴嘴3的 坐標並關閉超聲波發生器11，將雷射同軸送粉噴嘴3遠離基板5,防止後續加熱對其產生影 響。
[0012] C、開啟加熱板7的電源，延後10-40min後開啟超聲波發生器11，在上述的 10-40min時間內通過溫控器12將基板5加熱到指定溫度，超聲波發生器11的功率隨基板 5溫度增大而減小，基板5溫度為300-1200°C，對應超聲波發生器11功率為200-50W。
[0013] D、對基板5進行實時預熱和超聲振動的同時，根據步驟B得到雷射同軸送粉噴嘴 3的坐標將雷射同軸送粉噴嘴3移動到熔覆起點；開啟氣罐10、送粉器9和雷射器2,進行 雷射熔覆成形，根據需要控制雷射掃描輪廓和熔覆層數，直到熔覆成形結束。
[0014] F、成形結束後，依次關閉送粉器9、氣罐10和雷射器2,將雷射同軸送粉噴嘴3遠 離基板5,關閉超聲波發生器11，延後20-200min後關閉加熱板7電源，在上述20-200min 時間內通過溫控器12控制成形件4以10-50°C /min的速度緩慢冷卻，直至成形件4溫度達 到 200-400 °C。
[0015] 本發明的有益技術效果：
[0016] 1.本發明將基板實時預熱緩冷引入超聲輔助雷射近淨成形陶瓷件中，實現基板實 時預熱緩冷與超聲振動耦合輔助，兩種輔助手段和參數的耦合使輔助效果相互強化，提高 了抑制雷射近淨成形陶瓷件裂紋和氣孔等缺陷的能力。
[0017] 2.本發明通過基板實時預熱緩冷與超聲振動耦合輔助同軸送粉雷射近淨成形陶 瓷件，基板預熱裝置為加熱板，可將耦合輔助效果用於成形不受結構和尺寸限制的三維陶 瓷件，提高了三維陶瓷件雷射近淨成形的質量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018] 附圖為基板實時預熱緩冷與超聲振動耦合輔助陶瓷件雷射近淨成形系統示意圖。
[0019] 圖中：1工業計算機；2雷射器；3雷射同軸送粉噴嘴；4成形件；5基板；
[0020] 6隔熱板；7加熱板；8超聲波換能器；9送粉器；10氣罐；
[0021] 11超聲波發生器；12溫控器。
【具體實施方式】
[0022] 以下根據技術方案和附圖進一步說明本發明的【具體實施方式】。
[0023] 本實施例為採用該方法製備高純A1203陶瓷薄壁件，結合附圖，對實際實施過程加 以說明，具體步驟如下：
[0024] A、將烘乾後的A1203陶瓷粉末放入送粉器9中的一個送粉桶內。
[0025] B、把超聲波換能器8貫穿於加熱板7上開設的中心孔，將基板5置於到超聲波換 能器8上端，基板5與超聲波換能器8之間有隔熱板6,將隔熱板6和基板5固定在超聲波換 能器8上，三者剛性連接，基板5的底面距離加熱板7的上表面2-10mm。超聲波換能器8與 加熱板7-起固定在工作檯上，開啟超聲波發生器11，找到基板5輸出波形較好的諧振點， 將雷射同軸送粉噴嘴3移動到該點上方作為熔覆起點，基板5上表面為粉末流聚焦平面，記 錄此時雷射同軸送粉噴嘴3的坐標並關閉超聲波發生器11，將雷射同軸送粉噴嘴3移出並 遠離基板5,基板為鈦合金基板，尺寸為100 X 100 X6mm。
[0026] C、開啟加熱板7電源，隔30min後開啟超聲波發生器11，該時間內通過溫控器12 將基板5加熱到500°C，設置超聲波發生器11功率150W。
[0027] E、在對基板5進行實時預熱和超聲振動的同時，根據坐標將雷射同軸送粉噴嘴3 移動到熔覆起點，開啟氣罐10,送粉器9及雷射器2,進行單道10層雷射成形實驗，雷射掃 描長度為20mm。氣罐10內為惰性氣體，送粉氣壓0. 2MP ;雷射功率300W，掃描速度350mm/ min,送粉量1. 05g/min，Z軸提升量為0. 21mm。
[0028] F、成形結束後，依次關閉送粉器9、氣罐10和雷射器2,將雷射同軸送粉噴嘴3遠 離基板5 ;關閉超聲波發生器11，隔70min後關閉加熱板7電源；該時間內通過溫控器12控 製成形件4以30°C /min的速度緩慢冷卻，直至成形件4溫度達到350°C。
[0029] 最終得到裂紋和氣孔較少的A1203陶瓷薄壁件。
【權利要求】
1. 一種超聲輔助雷射近淨成形陶瓷件的方法，其特徵在於，包括以下步驟： A、 將烘乾後的陶瓷粉末置於送粉器（9)的送粉筒內； B、 將超聲波換能器（8)貫穿於加熱板（7)上開設的中心孔並固定，將基板（5)置於超聲 波換能器（8)上端，基板（5)與超聲波換能器（8)之間有隔熱板（6)，基板（5)、隔熱板（6)和 超聲波換能器（8)三者剛性連接；基板（5)的底面距離加熱板（7)的上端面2-10mm ;將超聲 波換能器（8)與加熱板（7)固定在工具機工作檯上；開啟超聲波發生器（11)，找到所需的基板 (5)的諧振點，將雷射同軸送粉噴嘴（3)移動到上述諧振點的上方作為熔覆起點，記錄此時 雷射同軸送粉噴嘴（3)的坐標並關閉超聲波發生器（11)，將雷射同軸送粉噴嘴（3)遠離基 板（5)，防止後續加熱對其產生影響； C、 開啟加熱板（7)的電源，延後10-40 min後開啟超聲波發生器（11)，在上述的10-40 min時間內通過溫控器（12)將基板（5)加熱到指定溫度，超聲波發生器（11)的功率隨基板 (5)溫度增大而減小，基板（5)溫度為300-1200 °C，對應超聲波發生器（11)功率為200-50 W ； D、 對基板（5)進行實時預熱和超聲振動的同時，根據步驟B得到雷射同軸送粉噴嘴（3) 的坐標將雷射同軸送粉噴嘴（3)移動到熔覆起點；開啟氣罐（10)、送粉器（9)和雷射器（2)， 進行雷射熔覆成形，根據需要控制雷射掃描輪廓和熔覆層數，直到熔覆成形結束； E、 成形結束後，依次關閉送粉器（9)、氣罐（10)和雷射器（2)，將雷射同軸送粉噴嘴 (3)遠離基板（5)，關閉超聲波發生器（11)，延後20-200min後關閉加熱板（7)電源，在上述 20-200min時間內通過溫控器（12)控制成形件（4)以10-50 °C /min的速度緩慢冷卻，直至 成形件（4)溫度達到200-400 °C。
【文檔編號】C04B35/653GK104086184SQ201410290489
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年6月25日 優先權日:2014年6月25日
【發明者】吳東江, 王江田, 馬廣義, 牛方勇, 郭敏海, 周思雨 申請人:大連理工大學