一种制备Al2O3-ZrO2共晶陶瓷结构件的快速成形方法，是采用激光近净成形系统直接将两种粉末成形出共晶陶瓷结构件。其特征是先筛选Al2O3、含8wt.%?Y2O3的ZrO2球形粉末，并烘干处理，调节两种粉末的流量来实现两种粉末的输出为共晶配比；然后，将CAD模型转换为数控程序，设定好加工参数，准备加工；粉末由送粉气压输送到激光喷嘴，激光通过光纤传输到粉末喷嘴，激光加工头根据数控程序移动，层层堆积出三维实体零件。本发明专利技术实现将共晶配比陶瓷粉末利用激光直接快速成形出表面质量高、无明显缺陷的共晶陶瓷结构件，形成的共晶组织细密均匀。陶瓷粉末无需预先混合，不需要预先制备陶瓷坯体，简化了共晶陶瓷的制备过程。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种激光近净成形Al2O3-ZrO2共晶陶瓷结构件的方法，本专利技术旨在利用激光近净成形系统，制备出具有亚微米级共晶组织的、无裂纹、高致密度、表面形貌良好的陶瓷结构件。
技术介绍
随着现代航天技术的迅猛发展，产生了一种以快速熔凝技术制备具有良好的高温(接近于材料熔点)强度与室温强度、抗高温蠕变性、抗高温氧化性的氧化物/氧化物共晶陶瓷基复合材料。目前，这方 面技术研究的较多的材料体系有A1203/YAG、ai2o3/gap、Al2O3/ZrO2 (Y2O3)、Al203/YAG/Zr02等。由于共晶陶瓷是在共熔点附近两相同时共生复合，形成了两相互相交错的结构，并且消除了晶界和无定形相，相面之间的结合强度非常高，所以，其强度和硬度高于该体系单一的任何一种材料，并且因为其拥有裂纹桥接等一系列的增韧机制，所以共晶陶瓷材料也具有满意的断裂韧性。传统的制备共晶组织所采用的方法主要为Bridgeman法、微拉法(μ -PD)、激光加热浮流区法(LHFZ)等。目前，主流的制备共晶陶瓷的方法仍是粉末烧结法，这种方法组成相之间存在较多的弱连接界面，孔隙率问题难以消除，很大程度上限制了共晶材料的高温条件下的应用。Brigeman法制备的组织界面共晶间距过大(大约20μπι)，这影响了共晶材料性能优势的发挥。激光制备陶瓷共晶组织的应用的较多的是激光加热浮流区法(LHFZ)，利用预先制备好的晶须先导材料通过激光的定向凝固产生共熔反应从而产生致密的共晶陶瓷材料，但是该方法与微拉法(μ-PD)仅限于制备较小尺寸的样品。激光近净成形(LaserEngineered Net Shaping, LENS )技术是美国 Sandia 国家实验室在1996年提出的，并于2000年获得了相关专利。该技术是将激光选择性烧结技术和同步送粉激光熔覆技术相融合而成的一项先进制造技术，能够实现高性能复杂结构零件的无模具、快速近净成形制造。激光近净成形的快速熔凝特点满足共晶陶瓷制备的条件，而且极高的固液界面温度梯度，能够使凝固界面在较宽的区域内保持平面界，有利于形成细小的微观晶体结构。Al2O3-ZrO2共晶材料，因具有优良的力学和尤其是热力学性能，一直是人们研究的热点。Al2O3和ZrO2在高温下能共熔且不发生化学反应，在定向凝固的条件下能够发生共晶反应形成共晶组织，从而得到硬度和强度高、高温稳定性能优异的新型先进材料，在航空航天的条件恶劣的应用环境中有着极大的发展潜力。美国华盛顿州立大学的V.K.Balla科研小组开展过高纯度Al2O3陶瓷和Pb (ZrxTi1 x)03)陶瓷的激光近净成形技术研究，得到了无明显缺陷的结构件(V.K.Ballaj S.Bose, A.Bandyopadhyay.Processing of Bulk Alumina Ceramics UsingLaser Engineered Net Shaping.Journal of Applied Ceramic Technology, 2008，5(3): 234-242.) (S.A.Bernard, V.K.Ballaj Susmita Bose, et al.Direct LaserProcessing of Bulk Lead Zirconate Titanate Ceramics.Materials Science andEngineering B， 2010， 172:85-88.)。西北工业大学的公开号为CN 102557596 A的申请专利里面，介绍了一种激光送粉法制备氧化铝基共晶陶瓷的方法。即利用激光区熔陶瓷粉末，用高纯氮气保护，高温气氛炉保温，试验中采用低的扫描速度(0.2飞mm/min)和较大的光斑直径(8 12 mm)。可以制备大体积的共晶陶瓷材料。德国的Hagedorn等人通过激光选区熔融(SLM)的方法对共晶比例的Al2O3-ZrO^v末快速成形了 Al2O3-ZrO2氧化物陶瓷样件，样件表面质量较差，也没有得到典型的共晶微观结构。(Hagedorn, Yves-Christian; Wilkes, Jan, et al.Net Shaped High PerformanceOxide Ceramic Parts by Selective Laser Melting.Physics Procedia, 2010,5:587-594.)。本专利技术与传统制备共晶陶瓷材料的定向凝固技术相比，其主要区别在于:本专利技术中利用专业的激光近净成形系统，其中激光输出系统和数控系统以及送粉系统能够很好的相互耦合，并且较小的送粉量与扫描速度可以实现良好的成形形貌与精度，在加工方法上和工艺上有着自身的先进性，可以实现共晶陶瓷的近净成形；其次，陶瓷零件三维结构的成形不仅仅是一维激光区熔粉末方法的三维叠加，本专利技术特有的加工参数和加工特点，使整个零件从底部沿着沉积方向冷却，晶体生长方向沿着沉积方向生长，并非激光区熔法中晶体沿着激光扫描方向生长。沉积过程中激光不断对已加工涂层表面进行重熔，层层之间结合能力增强，零件由底部沿沉积方向向上凝固，成功的实现了由简单的一维定向凝固向三维实体结构定向凝固生长的过渡，可以快速的实现共晶陶瓷材料的直接结构成形。目前，尚未有利用激光近净成形或者其他快速成形技术直接制造共晶陶瓷结构件的报道。本专利技术初步制定了用该方法制备Al2O3-ZrO2共晶陶瓷结构件的工艺方法和参数，制备了无明显缺陷表面形貌良好具有微纳米级共晶间距微观结构的共晶陶瓷结构件。激光近净成形陶瓷结构件过程中需要兼顾的问题很多，其中包括裂纹、气孔、以及共熔反应的条件问题。目前很多通过预热来解决陶瓷裂纹等缺陷问题的方法，但是传统的加热方法过程缓慢，加热范围不易控制，对激光喷嘴和基板等装置有损害，并且安装较为复杂，工作效率不高。所以寻找合适的工艺方法来改善加工过程中急冷急热的恶劣生长环境和寻找适合激光加工的陶瓷材料，更加节省成本、快速和有效。
技术实现思路
本专利技术为解决传统方法限于制备Al2O3-ZrO2共晶陶瓷生坯材料而且尺寸过小、工艺过程复杂、效率较低的不足，提出了一种激光近净成形Al2O3-ZrO2共晶陶瓷结构件的方法，能够用该方法制备具有亚微米级共晶组织的陶瓷结构件的原因在于:1、激光的高能量密度可达1(T106 W/cm2，定向凝固过程中实现了远高于传统加工的固液界面温度梯度，可以达到103 104 K/cm，可以使保持平面界的凝固速率范围扩大，形成的组织更加细密，且该系统加工陶瓷材料具有加工效率高、致密性高、组织均匀细密的特点，实现了具有快速定向凝固组织特征的共晶陶瓷结构件；2、共晶组织具有特殊的微观形貌，共晶组织具有相互交错的结构，相界面更加牢固。并且，Al203、Zr02陶瓷的热膨胀系数分别为8X10-6 Π 12X 10_6 °C ―1，由于两相热膨胀系数不同在Al2O3基体上会产生残余压应力，具有残余压应力增韧的机制。亚微米结构的ZrO2纤维嵌在氧化铝基体中，对共晶陶瓷起到了强化作用。所以共晶陶瓷材料相比于普通陶瓷材料能够承受较大的内应力，不容易产生裂纹，能够和激光近净成形加工很好的耦口 O3、合理的工艺方法和工艺参数，可以使结构件在快速成形过程中受到较小本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种激光近净成形Al2O3?ZrO2共晶陶瓷结构件的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：A、调整两种粉末配比：8?wt.%?Y2O3的ZrO2球形粉末含量为41.5~43.5?wt.%，其余为Al2O3球形粉末，送粉量为1.83?g/min~2.83?g/min；喷嘴相对基板表面的距离为9~12?mm；B、成形陶瓷结构件之前，预先在基板上沉积5~8层的陶瓷基体，厚度为2~3?mm；第1层采用激光功率500~600?W，扫描速度500~550?mm/min，第2层以后开始采用激光功率350~450?W，扫描速度450~500?mm/min，单层提升高度为0.15~0.20?mm；C、在已沉积的陶瓷基体上进行陶瓷结构件的成形，成形过程中保证扫描速度为350~500?mm/min、激光功率为530~674?W、单层提升高度为0.20~0.25?mm；D、成形结构完成时，停止送粉，不关闭激光，立即将激光竖直提升15~20?mm，激光束继续对成形结构件顶部进行扫描，激光加工头继续以?3~5?mm/min的速度提升，扫描3~5?min后，关闭激光，完成加工。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：吴东江，张垚磊，孙贝，牛方勇，马广义，郭东明，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：
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