[發(fā)明專利]一種激光送粉法制備氧化鋁基共晶陶瓷的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210002243.X
• 申請日: 2012-01-05
• 公開（公告）號: CN102557596A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 蘇海軍;于建政;張軍;劉林;傅恒志
• 申請（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: C04B35/10
• 分類號: C04B35/10;C04B35/622
• 代理公司: 西北工業(yè)大學(xué)專利中心 61204
• 代理人: 慕安榮

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及高性能材料激光快速成形制備領(lǐng)域，具體是一種利用表面氣氛加熱爐輔助激光送粉立體成型，實現(xiàn)高熔點、高致密度、低熱應(yīng)力特別是具有較大體積氧化鋁基共晶陶瓷材料的制備技術(shù)。

背景技術(shù)

氧化物共晶自生陶瓷具有優(yōu)異的高溫強度、熱穩(wěn)定性、抗蠕變特性及高溫抗氧化性，是近年來發(fā)展的有望在1650℃以上惡劣環(huán)境下長期使用的超高溫結(jié)構(gòu)材料。然而，迄今為止氧化物陶瓷材料的主要制備技術(shù)仍是粉末燒結(jié)法。由于粉末燒結(jié)陶瓷材料均為多晶組織，通常無法得到單晶組成相，陶瓷顆粒、基體和其他組成相(如增強相或增韌相)以及各組成相之間均存在著大量的弱連接界面，顯微組織的均勻性和穩(wěn)定性以及材料的孔隙率均難以消除，導(dǎo)致陶瓷材料高溫力學(xué)性能銳減，極大的限制了陶瓷材料在超高溫條件下的應(yīng)用。利用激光快速成型這種新型成型技術(shù)可獲得性能較好的氧化物共晶陶瓷，但該方法在激光快速成型的過程中產(chǎn)生巨大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致試樣容易開裂，共晶陶瓷屬于脆性材料，更易開裂，因此激光懸浮區(qū)熔成型共晶陶瓷僅限于制備較小尺寸的樣品。

激光具有非常高的能量密度，能夠快速熔化非常高熔點的材料，用于定向凝固時固液界面溫度梯度可達10³～10⁴K/cm數(shù)量級，遠高于常規(guī)技術(shù)的10¹～10²K/cm數(shù)量級。激光快速成形技術(shù)是一種利用高能激光束對金屬或非金屬材料進行激光表面熔化與無界面快速熱傳導(dǎo)自淬火激冷快速定向凝固，不僅可以直接獲得具有快速凝固組織特征和特殊物理化學(xué)及力學(xué)性能的表層材料外，而且可以實現(xiàn)高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的無模具、快速、全致密近凈成形，具有熔煉溫度高、溫度梯度高、凝固速率控制精度高、材料和環(huán)境適應(yīng)性廣泛、無污染等特點，已受到國內(nèi)外眾多學(xué)者的高度重視。

在公開號為CN?102115882A的專利申請中，上海工程技術(shù)大學(xué)提出了一種激光材料加工技術(shù)領(lǐng)域的激光基體表面熔覆合金的辦法，該方法在激光熔覆成形時，在惰性氣體的保護下，采用激光熔覆的辦法在金屬基體表面熔覆單道或多道合金。制備得到的金屬具有良好的熔覆層。但是由于陶瓷具有較大脆性，限制了激光加工成形技術(shù)在陶瓷制備中的應(yīng)用，因此相關(guān)制備技術(shù)的研究并不多見。

發(fā)明內(nèi)容

為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的或者僅限于制備較小尺寸的樣品，或者由于陶瓷具有較大脆性，限制了激光加工成形技術(shù)在陶瓷制備中的應(yīng)用的不足，本發(fā)明提出了一種激光送粉法制備氧化鋁基共晶陶瓷的方法。

本發(fā)明包括以下步驟：

步驟1，配制共晶陶瓷粉末；

步驟2，表面氣氛加熱爐加熱；將得到的部分粉末均勻鋪在金屬基板上形成共晶陶瓷基底；將鋪有共晶陶瓷基底的金屬基板置于表面氣氛加熱爐的加熱板上；向爐膛內(nèi)通入保護氣體N₂氣；N₂氣流量100～150ml/min；對加熱板加熱，進而通過加熱板對粉末加熱至1200℃；加熱中，600℃以下以導(dǎo)通比為20％的速度加熱，600℃以上以導(dǎo)通比為40％的速度加熱；加熱中持續(xù)保溫，使試樣溫度與加熱板溫度一致；加熱中持續(xù)通入N₂氣；得到加熱后的共晶陶瓷基底；

步驟3，成形共晶陶瓷；采用激光區(qū)熔方法成形共晶陶瓷的過程，其具體過程是：將剩余的共晶陶瓷粉末置于送粉器中，使送粉器和激光器位于共晶陶瓷基底表面成形共晶陶瓷的起點處，同時啟動送粉器和激光器；送粉器將粉末輸送至激光熔池水平移動方向的邊緣處，所述粉末落到共晶陶瓷基底表面時被水平移動過來的激光熔池熔化；激光器沿共晶陶瓷基底的長度方向逐行水平掃描，當(dāng)激光熔池水平移動過去后，被熔化的粉末凝固，在共晶陶瓷基底表面形成第一道共晶陶瓷；當(dāng)激光器完成第一行掃描后，沿共晶陶瓷基底表面寬度平移，進行第二行的水平掃描，得到在共晶陶瓷基底表面形成的第二道共晶陶瓷；以此類推，激光器逐漸向共晶陶瓷基底的寬度方向推進，直至整個共晶陶瓷基底表面形成第一層共晶陶瓷；當(dāng)?shù)谝粚庸簿沾傻某尚瓮瓿珊螅头燮骱图す馄骰氐狡瘘c，按成形第一層共晶陶瓷的方法，在得到的第一層共晶陶瓷表面繼續(xù)成形第二層共晶陶瓷；重復(fù)上述激光區(qū)熔成形共晶陶瓷的過程，得到所需的共晶陶瓷；成形共晶陶瓷中，激光功率為200～800W，激光掃描速度0.2～6mm/min，激光光斑直徑為8～12mm，激光器沿共晶陶瓷基底寬度平移后相鄰兩行中心線的間距為7～10mm，送粉器的送粉速度為0.6～2.0g/min；在激光區(qū)熔過程中，表面氣氛加熱爐對試樣持續(xù)加熱，使試樣的溫度保持在1200℃，并通入N₂氣；