[發明專利]一種超聲輔助激光近凈成形陶瓷件的方法

有效

• 申請號: 201410290489.0
• 申請日: 2014-06-25
• 公開（公告）號: CN104086184A
• 公開（公告）日: 2014-10-08
• 發明（設計）人: 吳東江;王江田;馬廣義;牛方勇;郭敏海;周思雨
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: C04B35/653
• 分類號: C04B35/653
• 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

本發明屬于增材制造領域，涉及一種超聲輔助激光近凈成形陶瓷件的方法。

技術背景

工程陶瓷具有耐磨損、耐高溫、抗腐蝕、高強度、高硬度、低密度等優點，能夠在高溫、強腐蝕、高磨損等極端環境下保持良好的使用性能，被認為是未來最有前景的工程材料之一，其優異性能在航空航天，軍事國防，生物醫學等領域具有重要的應用價值。

陶瓷材料傳統的加工方法主要是燒結法，包括壓坯和燒結兩個步驟。該方法制備的陶瓷內部組織疏松，缺陷多，致密性差，機械和力學性能較低。此外該方法具有制備陶瓷件形狀尺寸受模具限制，加工工藝復雜，制造周期長等缺點。因此尋找一種能克服上述缺陷，制備高性能陶瓷零件的新方法成為各國研究人員關注的重點。

近年來，隨著激光熔覆技術的發展和該技術在金屬零件直接制造方面的成功應用，關于激光金屬表面熔覆陶瓷涂層和激光直接成形陶瓷結構件的研究逐步展開。激光近凈成形是激光直接熔覆成形技術中的一種，高能激光束作用在基板上形成熔池并將同軸送粉粉末融化，激光輻照結束后，熔池凝固成形，通過控制激光掃描路徑和成形層數得到預定三維結構件。激光近凈成形的方法制備陶瓷件具有內部組織致密、機械力學性能好、制造周期短、不受零件形狀限制等優點，可實現快速無模柔性化制造。但是陶瓷材料屬于脆性材料，成形過程中材料經歷極冷極熱作用而產生較大熱應力，極易出現裂紋和氣孔等缺陷，解決激光近凈成形陶瓷件中的裂紋和氣孔等缺陷成為目前研究的重點。超聲振動在熔池中的空化、聲流等作用具有均化熔池溫度，降低應力；加速熔池中氣體逸出，提高材料致密性；打斷長枝晶、細化晶粒等效果。目前已有將基板超聲振動引入激光熔覆成形技術中的相關文獻報道。

沈陽航空航天大學申請號為201310061962.3的發明專利中提出了一種超聲輔助激光修復鈦合金的方法。將基板超聲振動引入到激光熔覆修復鈦合金表面的技術中。然而激光熔覆過程中熔池凝固速度快，超聲對熔池的作用時間較短，另外僅通過基板超聲振動抑制裂紋和氣孔等缺陷的效果較小。

銅陵學院王東升等人在申請號為201110364330.5的發明專利中提出一種激光多層熔覆制備納米涂層的方法，通過使用納米陶瓷粉末、溫度閉環控制、基板預熱和引入超聲振動方法抑制裂紋。該發明目的在于熔覆陶瓷涂層，其預置粉末薄片的工藝難于將基板預熱和超聲振動用于成形大尺寸三維陶瓷件；此外，該方法通過保溫箱預熱基板得到的涂層尺寸和形狀受保溫箱限制。

發明內容

為克服現有超聲輔助激光熔覆陶瓷材料方法中超聲對熔池作用時間較短、抑制陶瓷件中裂紋及氣孔等缺陷的效果較小等方面的不足，本發明提出了一種超聲輔助激光近凈成形陶瓷件的方法。

本發明將基板實時預熱緩冷引入到超聲輔助激光近凈成形陶瓷件技術中，通過基板預熱與超聲振動耦合輔助激光近凈成形陶瓷件。通過基板實時預熱緩冷，增大熔覆成形中熔池大小，減緩凝固速度，延長超聲振動產生的空化、聲流和機械振動等對熔池的作用時間，強化超聲振動在激光近凈成形陶瓷件中的作用。同時超聲的熔池溫度均化作用又與預熱緩冷降低成形件溫度梯度的效果相疊加，從而兩種輔助效果起到耦合強化的作用。基板溫度與超聲功率等輔助參數的數值匹配優化進一步增強了耦合輔助在激光近凈成形陶瓷件中抑制裂紋和氣孔等缺陷的作用。此外，該方法中實時預熱緩冷與超聲振動耦合輔助的熔覆成形系統為同軸送粉激光近凈成形系統，基板預熱裝置為加熱板，耦合輔助成形陶瓷件不受形狀尺寸制約，拓展了基板預熱和超聲振動耦合輔助激光成形陶瓷材料的應用范圍。

本發明的目的在于提供一種低裂紋、低氣孔的三維陶瓷件超聲輔助激光近凈成形方法，實現三維陶瓷件的高質量激光近凈成形，為達到上述目的，本發明提供了一種超聲輔助激光近凈成形陶瓷件的方法，具體步驟如下：

A、將烘干后陶瓷粉末置于送粉器9的送粉筒內。

B、將超聲波換能器8貫穿于加熱板7上開設的中心孔并固定，將基板5置于超聲波換能器8上端，基板5與超聲波換能器8之間有隔熱板6，隔熱板6、基板5和超聲波換能器8三者剛性連接；基板5的底面距離加熱板7的上端面2-10mm。將超聲波換能器8與加熱板7固定在機床工作臺上；開啟超聲波發生器11，找到所需的基板5的諧振點，將激光同軸送粉噴嘴3移動到上述諧振點的上方作為熔覆起點，記錄此時激光同軸送粉噴嘴3的坐標并關閉超聲波發生器11，將激光同軸送粉噴嘴3遠離基板5，防止后續加熱對其產生影響。