一種雷射束近淨成形陶瓷結構的方法
2023-05-19 18:11:36 2
專利名稱：一種雷射束近淨成形陶瓷結構的方法
技術領域：
本發明涉及一種陶瓷結構成形方法，特別是一種雷射束近淨成形陶瓷結構的方法。
背景技術：
隨著世界工業水平和先進位造技術的迅猛發展，對零件在特種環境下的使用壽命要求不斷提高，金屬材料在高溫腐蝕、絕緣以及高磨損環境下的性能已經難以滿足要求。而陶瓷材料具有高硬度、高熔點和高化學穩定性等特點，不僅可以在傳統工業領域得到廣泛應用，而且在航空航天、國防以及高新技術領域等都有十分重要的應用價值。因此陶瓷結構件已經滲透到了具有特種環境條件的工業領域。現有的陶瓷結構成形包括以下兩種成形方法1、陶瓷結構通過燒結成形。燒結成形是利用高溫高壓條件使得陶瓷粉末壓製成形，進而獲得滿足要求的陶瓷結構件。但該方法存在的缺點是1)燒結結構組織相對較為疏鬆，常伴有缺陷；2)後處理工藝繁瑣，影響陶瓷結構件的穩定性和使用壽命；3)較難燒結成形複雜陶瓷結構。2、陶瓷結構通過單雷射束成形。單雷射束成形是利用雷射快速成形設備，通過單雷射束熔化陶瓷粉末逐層累加得到所需要的陶瓷結構。該方法的缺點是裂紋缺陷明顯，影響陶瓷結構的使用壽命。
發明內容
為解決現有技術存在的上述問題，本發明要設計一種可以實現成形陶瓷結構組織緻密並有效降低裂紋缺陷出現概率、可直接成形複雜陶瓷結構和可減少後處理工序的雷射束近淨成形陶瓷結構的方法。為了實現上述目的，本發明的技術方案如下一種雷射束近淨成形陶瓷結構的方法，所述的雷射束近淨成形陶瓷結構的設備包括Nd:YAG雷射器、送粉系統及光學器件，所述的方法包括以下步驟A、調整好雷射輸出能量，通過分束鏡把Nd:YAG雷射束分為主光束和輔助光束，主光束功率/輔助光束功率的比率範圍為0. 1至0. 9 ；B、所述Nd: YAG雷射束波長為1064nm，其通過分束鏡得到的主光束依次通過擴束及光束校正系統、全反鏡A、光開關、聚焦透鏡和同軸噴嘴，聚焦後對陶瓷粉末加熱溶化，在襯底上實現陶瓷結構的逐層累加成形；C、所述Nd:YAG雷射束通過分束鏡得到的輔助光束依次通過全反鏡B、全反鏡C、光學積分器和柱稜鏡，為主光束作用區域內的陶瓷成形結構提供預熱和緩冷的溫度條件；D、調整好主光束和輔助光束後，通過同步控制單元實現光開關和送粉系統同步， 送粉系統通過送粉管路輸送陶瓷粉末至同軸噴嘴處，在聚焦後的主光束作用下加熱熔化陶
3瓷粉末，按照設定好的數控程序，完成陶瓷結構的逐層累加成形；成形過程要求輔助光束輸出提前於主光束光開關打開10秒至5分鐘，且滯後於主光束光開關關閉10秒至3分鐘。與現有技術相比，本發明具有以下有益效果1、本發明通過分束鏡等光學元件得到了 1064nm的Nd:YAG雙雷射束。其中主光束用於陶瓷結構的成形；輔助光束的輸出形態和大小可調，為主光束作用區域提供合理的冷卻條件；此方法操作方便，可有效降低溫度梯度，利於實現陶瓷結構的雷射近淨成形製造。2、本發明通過分束鏡把Nd:YAG雷射束分為主光束和輔助光束，主光束用於陶瓷結構成形，可得到緻密的陶瓷組織；輔助光束用於提供預熱/緩冷條件，可以降低成形過程溫度梯度，進而有效減少裂紋缺陷出現的概率。3、本發明的擴束及光束校正系統主要用於保證主光束質量；全反鏡A有利於實現主光束的柔性傳輸；光開關可實現主光束和送粉系統的同步輸出；聚焦透鏡為成形加工提供合理的主光束光斑尺寸；同軸噴嘴用於實現主光束對陶瓷粉末的加熱熔化，可以直接成形複雜陶瓷結構，減少不必要的後續處理工序。4、本發明的全反鏡B和全反鏡C主要用於實現輔助光束的柔性傳輸；光學積分器用於提供矩形、橢圓或者圓形光束輸出；柱稜鏡用於改變輔助光束作用區域的面積大小，使得輔助光束作用面積完全包含主光束作用區域，為聚焦後主光束作用區域提供合理的預熱緩冷條件，降低了成形過程的溫度梯度，從而減少裂紋缺陷出現的概率。
本發明僅有附圖1張，其中圖1是本發明的流程示意圖。圖中1.雷射束；2.分束鏡；3.主光束；4.擴束及光束校正系統；5.全反鏡A; 6.光開關；7.聚焦透鏡；8.聚焦後主光束；9.輔助光束；10.全反鏡B ；11.全反鏡C ;12.光學積分器；13.柱稜鏡；14.輔助光束作用區域；15.主光束作用區域；16.襯底；17.送粉系統；18.同步控制單元；19.送粉管路；20.同軸噴嘴。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明進行進一步地描述。如圖1所示，本發明的工作過程如下NdiYAG雷射器的雷射束1通過分束鏡2分成主光束3和輔助光束9，主光束3功率/輔助光束9功率比例範圍為0. 1至0. 9。其中主光束依次經過擴束及光束校正系統4、全反鏡A5、光開光6、聚焦透鏡7和同軸噴嘴20到達襯底16表面，通過同步控制單元18實現光開關6和送粉系統17同步，送粉系統17通過送粉管路19輸送陶瓷粉末至同軸噴嘴20處，在聚焦後主光束8作用下加熱熔化陶瓷粉末，按照設定好的數控程序，完成陶瓷結構的逐層累加成形。而輔助光束9依次經過全反鏡B10、全反鏡C11、光學積分器12和柱稜鏡13達到襯底16表面；其中輔助光束9經光學積分器12整形為矩形、橢圓或者圓形光束後，再通過柱稜鏡13實現光束的面積的大小調整，最終使得輔助光束作用區域14完全覆蓋主光束作用區域15，利於降低成形過程溫度梯度，便於為成形過程提供合理的預熱緩冷條件。成形過程根據實際的陶瓷結構特點，控制輔助光束9輸出提前於主光束光開關6打開10秒至5分鐘，且滯後於主光束光開關6關閉10秒至3分鐘。
本發明通過分束鏡等光學元件得到了 1064nm的Nd:YAG雙雷射束。其中主光束用於陶瓷結構的成形；輔助光束的輸出形態和大小可調，為主光束作用區域提供合理的冷卻條件；此方法操作方便，可有效降低溫度梯度，利於實現陶瓷結構的雷射近淨成形製造。
權利要求
1. 一種雷射束近淨成形陶瓷結構的方法，所述的雷射束近淨成形陶瓷結構的設備包括 Nd:YAG雷射器、送粉系統(17)及光學器件，其特徵在於所述的方法包括以下步驟A、調整好雷射輸出能量，通過分束鏡⑵把Nd:YAG雷射束⑴分為主光束(3)和輔助光束(9)，主光束(3)功率/輔助光束(9)功率的比率範圍為0.1至0.9;B、所述Nd:YAG雷射束(1)波長為1064nm，其通過分束鏡( 得到的主光束(；3)依次通過擴束及光束校正系統G)、全反鏡A(5)、光開關(6)、聚焦透鏡(7)和同軸噴嘴(20)，聚焦後對陶瓷粉末加熱溶化，在襯底(16)上實現陶瓷結構的逐層累加成形；C、所述Nd:YAG雷射束(1)通過分束鏡(2)得到的輔助光束(9)依次通過全反鏡B(IO)、 全反鏡C(ll)、光學積分器(12)和柱稜鏡(13)，為主光束作用區域(15)內的陶瓷成形結構提供預熱和緩冷的溫度條件；D、調整好主光束C3)和輔助光束(9)後，通過同步控制單元(18)實現光開關(6)和送粉系統(17)同步，送粉系統(17)通過同送粉管路(19)輸送陶瓷粉末至同軸噴嘴00)處， 在聚焦後主光束(8)作用下加熱熔化陶瓷粉末，按照設定好的數控程序，完成陶瓷結構的逐層累加成形；成形過程要求輔助光束(9)輸出提前於主光束(3)光開關(6)打開10秒至 5分鐘，且滯後於主光束(3)光開關(6)關閉10秒至3分鐘。
全文摘要
本發明公開了一種雷射束近淨成形陶瓷結構的方法，通過分束鏡把Nd:YAG雷射束分為主光束和輔助光束，主光束依次通過擴束及光束校正系統、全反鏡A、光開關、聚焦透鏡和同軸噴嘴，聚焦後對陶瓷粉末加熱溶化，在襯底上實現陶瓷結構的逐層累加成形，輔助光束依次通過全反鏡B、全反鏡C、光學積分器和柱稜鏡，為主光束作用區域內的陶瓷成形結構提供預熱和緩冷的溫度條件，陶瓷粉末在聚焦後的主光束作用下加熱熔化陶瓷粉末，按照設定好的數控程序，完成陶瓷結構的逐層累加成形。本發明可得到緻密的陶瓷組織、降低成形過程溫度梯度，進而有效減少裂紋缺陷出現的概率，可以直接成形複雜陶瓷結構，減少不必要的後續處理工序。
文檔編號C04B35/64GK102432302SQ20111026607
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月8日 優先權日2011年9月8日
發明者吳東江, 吳夢雪, 郭東明, 馬廣義 申請人:大連理工大學