[發明專利]一種激光3D打印陶瓷功能梯度結構件的方法

有效

• 申請號: 201310258054.3
• 申請日: 2013-06-26
• 公開（公告）號: CN103317590A
• 公開（公告）日: 2013-09-25
• 發明（設計）人: 吳東江;牛方勇;馬廣義;郭東明
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: B28B1/24
• 分類號: B28B1/24
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 關慧貞;梅洪玉

技術領域

本發明涉及一種激光3D打印陶瓷功能梯度結構件的方法。

背景技術

陶瓷功能梯度材料結合了陶瓷材料的耐高溫耐腐蝕等特性及功能梯度材料的組分連續變化與性能可控的特點，在國防軍事、生物醫療、機械加工等領域具有重要的應用價值。尤其是隨著超高音速飛行器的興起，耐高溫同時又高強度的多性能陶瓷材料需求迫切，而且要求某些零件的不同部位具備不同的性能，然而一般均質材料很難達到這種要求，因此能夠滿足這種條件的功能梯度材料成為研究的熱點。

目前，陶瓷功能梯度結構件的制備方法主要是利用泥漿涂層及電泳沉積等手段制得毛坯后再利用各種方法進行固相燒結，這些方法包括毛坯制作及固相燒結兩個工序，生產效率低且制得的功能材料多含粘結劑等雜質，可制作的零件形狀也受很大限制。此外，也有學者利用等離子噴涂及自蔓延高溫燃燒的方法制備陶瓷功能梯度材料，但等離子噴涂制備的材料中含有較多疏松與孔洞，且層層界面處也容易開裂失效，而自蔓延高溫燃燒法只適用于放熱反應材料體系，且制備出的材料致密性較差。以上陶瓷功能梯度材料制備方法均不能同時具備生產效率高且質量可靠兩方面特點，且尚不能滿足組分復雜變化的多維功能梯度材料的制備。而激光束亮度高，柔性強的特點為高熔點陶瓷材料的直接成形提供了可能。目前激光技術已被嘗試應用于直接制備陶瓷結構件及陶瓷梯度涂層，相關文獻報道如下所示：

美國學者V.K.Balla，S.Bose，A.Bandvopadhvav：“塊體氧化鋁激光近凈成形（Processing?of?Bulk?Alumina?Ceramics?Using?Laser?Engineered?Net?Shaping）”，《應用陶瓷技術國際雜志（International?Journal?of?Applied?Ceramic?Technology）》，2008年5卷。

中國學者劉其斌：“寬帶激光熔覆梯度生物陶瓷復合涂層及其生物相容性”，大連理工大學博士學位論文，2005年。

中國學者陳傳忠，王佃剛，徐萍等：“激光熔覆HA生物陶瓷梯度涂層的微觀組織結構”，《中國激光》，2004年31卷。

通過文獻調研了解到，均質陶瓷結構件不具有性能漸變的功能梯度特性，不能充分滿足某些特殊場合的應用，而目前的陶瓷梯度涂層只限于二維薄層，且多以金屬材料作為過渡材料，應用范圍也較為有限。此外，涂層的成形機制及制備難度與陶瓷功能梯度結構件的激光3D打印成形機制截然不同，因此，尋找一種可以直接成形致密陶瓷功能梯度材料的方法具有重要的意義。

發明內容

為解決陶瓷功能梯度結構件傳統制備方法中存在的效率低下、富含粘結劑及結構不致密等問題，本發明提供一種高效優質且加工柔性強的陶瓷功能梯度結構件的激光3D打印技術，不但可以將傳統方法中制作毛坯及燒結兩步工序合二為一，而且由于打印過程中的熔化-凝固過程而避免傳統固相燒結的諸多缺陷，并能實現多種高熔點陶瓷材料的復雜維度功能梯度結構件打印。

為實現上述目的，陶瓷功能梯度結構件的激光3D打印方法具體包括以下步驟：

A、根據陶瓷結構件的功能梯度設計要求，計算功能梯度結構件不同位置的組分配比，并將計算值作為激光3D打印機送粉器不同粉筒的數控變量值，以便打印加工過程中實時控制；

B、選擇直徑為20～90μm的陶瓷粉末干燥處理后分別放入送粉器不同的粉筒中，根據功能梯度結構件選擇不同元素種類的陶瓷粉末，且組分搭配需滿足一定原則：選擇的不同元素種類陶瓷粉末中，任何一種陶瓷粉末的熔點不能高于其它粉末的沸點；各種陶瓷粉末間不發生化學反應，應具有較好的化學相容性；各陶瓷材料的熱膨脹系數不能大于5×10^-6/℃，并具有較好的潤濕性，即各陶瓷材料應具有較好的物理相容性。如Al₂O₃/ZrO₂，Al₂O₃/SiC及TiC/Al₂O₃等梯度材料組系；

C、調整工作臺使同軸送粉的粉末流焦點處于基板的表面，同時保證粉末流焦點與激光光斑焦點重合，以最大程度地提高粉末利用率；基板選擇熔點較高的金屬或陶瓷等材料，需對激光有較高的吸收率且與成形材料具有較好的化學及物理相容性；