[發明專利]一種激光束近凈成形陶瓷結構的方法

有效

• 申請號: 201110266076.5
• 申請日: 2011-09-08
• 公開（公告）號: CN102432302A
• 公開（公告）日: 2012-05-02
• 發明（設計）人: 吳東江;馬廣義;吳夢雪;郭東明
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: C04B35/64
• 分類號: C04B35/64
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 李洪福

技術領域

本發明涉及一種陶瓷結構成形方法，特別是一種激光束近凈成形陶瓷結構的方法。

背景技術

隨著世界工業水平和先進制造技術的迅猛發展，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制成形，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松，常伴有缺陷；

2)后處理工藝繁瑣，影響陶瓷結構件的穩定性和使用壽命；

3)較難燒結成形復雜陶瓷結構。

2、陶瓷結構通過單激光束成形。單激光束成形是利用激光快速成形設備，通過單激光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致密并有效降低裂紋缺陷出現概率、可直接成形復雜陶瓷結構和可減少后處理工序的激光束近凈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：一種激光束近凈成形陶瓷結構的方法，所述的激光束近凈成形陶瓷結構的設備包括Nd:YAG激光器、送粉系統及光學器件，所述的方法包括以下步驟：

A、調整好激光輸出能量，通過分束鏡把Nd:YAG激光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范圍為0.1至0.9；

B、所述Nd:YAG激光束波長為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，聚焦后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激光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、光學積分器和柱棱鏡，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后，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，在聚焦后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；成形過程要求輔助光束輸出提前于主光束光開關打開10秒至5分鐘，且滯后于主光束光開關關閉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雙激光束。其中主光束用于陶瓷結構的成形；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，利于實現陶瓷結構的激光近凈成形制造。

2、本發明通過分束鏡把Nd:YAG激光束分為主光束和輔助光束，主光束用于陶瓷結構成形，可得到致密的陶瓷組織；輔助光束用于提供預熱/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于保證主光束質量；全反鏡A有利于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；同軸噴嘴用于實現主光束對陶瓷粉末的加熱熔化，可以直接成形復雜陶瓷結構，減少不必要的后續處理工序。

4、本發明的全反鏡B和全反鏡C主要用于實現輔助光束的柔性傳輸；光學積分器用于提供矩形、橢圓或者圓形光束輸出；柱棱鏡用于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，為聚焦后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。

附圖說明

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.激光束；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.聚焦后主光束；9.輔助光束；10.全反鏡B；11.全反鏡C；12.光學積分器；13.柱棱鏡；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。

具體實施方式