激光立体成形氧化铝基共晶自生复合陶瓷的方法技术

一种激光立体成形氧化铝基共晶自生复合陶瓷的方法，通过激光立体成形氧化物共晶陶瓷材料，获得大体积共晶陶瓷体。本发明专利技术采用逐层铺陶瓷粉的方法，针对Al2O3基共晶陶瓷，保温温度一般控制在800～1300℃，并通过调整保温温度，实现不同的冷却速率和温度梯度。本发明专利技术利用重复堆积、多次熔覆的方法，使粉末重复熔于基体，从而实现共晶陶瓷的制备，能够快速熔化高熔点材料，实现＞3000K/cm的温度梯度，使材料激光成形过程中降低热应力并完全消除裂纹。在加热和成形过程中，同时充入高纯惰性气体，使得炉体中的空气完全逸出，消除了成形材料内部的气孔，可以获得稳定的晶体生长。本发明专利技术有效降低了成形材料与周围环境的温差和材料内部的热应力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及高性能材料激光快速成形制备领域，具体是一种利用表面气氛加热炉辅助激光铺粉立体成形，实现高熔点、高致密度、低热应力特别是具有较大体积共晶陶瓷材料的制备技术。
技术介绍
氧化物共晶自生陶瓷具有优异的高温强度、热稳定性、抗蠕变特性及高温抗氧化性，是近年来发展的有望在1650°C以上恶劣环境下长期使用的超高温结构材料。然而，迄今为止氧化物陶瓷材料的主要制备技术仍是粉末烧结法。由于粉末烧结陶瓷材料均为多晶组织，通常无法得到单晶组成相，陶瓷颗粒、基体和其他组成相(如增强相或增韧相)以及各组成相之间均存在着大量的弱连接界面，显微组织的均勻性和稳定性以及材料的孔隙率均难以消除，导致陶瓷材料高温力学性能锐减，极大的限制了陶瓷材料在超高温条件下的应用。利用激光区熔凝固技术能够获得性能较好的氧化物共晶陶瓷，但该方法在激光快速熔化和凝固的过程中产生较大的热应力，易导致试样开裂，而共晶陶瓷属于脆性材料，更易开裂，因此激光悬浮区熔成形共晶陶瓷是比较困难的，仅限于制备较小尺寸的样品。辽宁工程技术大学李刚等人在专利号为CN20101(^67573. 2的专利中提出了一种激光燃烧合成原位自生陶瓷颗粒增强铁铝基复合材料的方法，属于材料
，按以下步骤进行将钨矿石粉、铁粉、铝粉和碳粉置于球磨机中球磨获得混合粉料；将混合粉料压制成压坯，采用(X)2激光加工机发射高能激光束点燃压坯表面，引发压坯自蔓延烧结，生成原位自生陶瓷颗粒增强铁铝基复合材料。激光输出功率为550 650W，激光点燃时间为10 25s。本专利技术的方法在一种基体上同时生成两种陶瓷颗粒增强相，缩短了复合材料的制备工艺流程、降低了材料制备成本，但受材料化学反应的限制，并不能实现氧化物陶瓷的制备。激光具有非常高的能量密度，能够快速熔化非常高熔点的材料，用于定向凝固时固液界面温度梯度可达IO3 loVcm数量级，远高于常规技术的IO1 102K/cm数量级。激光快速成形技术是一种利用高能激光束对金属或非金属材料进行激光表面熔化与无界面快速热传导自淬火激冷快速定向凝固，不仅可以直接获得具有快速凝固组织特征和特殊物理化学及力学性能的表层材料外，而且可以实现高性能复杂结构零件的无模具、快速、全致密近净成形，具有熔炼温度高、温度梯度高、凝固速率控制精度高、材料和环境适应性广泛、无污染等特点，已受到国内外众多学者的高度重视。在公开号为CN 102115882A的专利申请中，上海工程技术大学提出了一种激光材料加工
的激光基体表面熔覆合金的办法，该方法在激光熔覆成形时，在惰性气体的保护下，采用激光熔覆的办法在金属基体表面熔覆单道或多道合金。制备得到的金属具有良好的熔覆层，但该技术仅限于制备金属材料。然而，与金属材料相比，氧化物陶瓷材料具有更高的熔点和高的脆性。因此，在上述技术基础上需要发展新的可制备高熔点、高致密度、低热应力特别是具有较大体积共晶陶瓷材料的制备技术。
技术实现思路
为克服现有技术中存在的或者易导致试样开裂，或者仅限于制备较小尺寸的样品，或者不能实现氧化物陶瓷的制备的不足，本专利技术提出了一种。本专利技术包括以下步骤步骤1，配制共晶陶瓷粉末；步骤2，共晶陶瓷粉末的铺粉与表面气氛加热炉加热；将得到的部分共晶陶瓷粉末均勻铺在金属基板上形成基底；将铺有基底的金属基板置于表面气氛加热炉的加热板上；打开气流计阀门向炉膛内通入保护气体N2气；N2气流量100 150ml/min ；对共晶粉末加热至1200°C，加热中，6000C以下以导通比为20 %的速度加热，600°C以上以导通比为40%的速度加热；加热中试样温度与加热板温度一致；加热中持续通入队气；得到加热后的A1203/YAG共晶陶瓷基底；步骤3，成形共晶陶瓷；采用激光区熔方法成形共晶陶瓷的过程，其具体过程是使激光器位于共晶陶瓷基底表面成形共晶陶瓷的起点处，对加热后的共晶陶瓷基底进行水平逐行扫描；当激光器完成第一行扫描后，沿共晶陶瓷基底表面宽度平移，进行第二行的水平扫描，得到在共晶陶瓷基底表面形成的第二道共晶陶瓷；以此类推，激光器逐渐向共晶陶瓷基底的宽度方向推进，直至整个共晶陶瓷基底表面形成第一层共晶陶瓷；当第一层共晶陶瓷的成形完成后，将剩余的共晶陶瓷粉末均勻铺覆在第一层共晶陶瓷上；激光器回到起点，按成形第一层共晶陶瓷的方法，在得到的第一层共晶陶瓷表面继续成形第二层共晶陶瓷；当第二层共晶陶瓷的成形完成后，继续将剩余的共晶陶瓷粉末均勻铺覆在第二层共晶陶瓷上；激光器回到起点，按成形第一层共晶陶瓷的方法，在得到的第二层共晶陶瓷表面继续成形第三层共晶陶瓷；重复上述激光区熔成形共晶陶瓷的过程，得到所需的共晶陶瓷；成形共晶陶瓷中，激光功率为500W，激光扫描速度6mm/min，激光光斑直径为12mm。在激光区熔过程中，表面气氛加热炉对试样持续加热，使试样的温度保持在1200°C，并通入N2气。激光器沿共晶陶瓷基底宽度平移后相邻两行中心线的间距为10mm。步骤4，共晶体陶瓷冷却，当得到所需体积的共晶陶瓷后，表面气氛加热炉以IO0C /min的降温速度冷却至800°C后，得到的共晶陶瓷随炉冷却至室温，从而获得共晶自生复合陶瓷。本专利技术通过激光立体成形氧化物共晶陶瓷材料，获得大体积共晶陶瓷体，从而解决激光成形大尺寸氧化铝基陶瓷材料工程化应用瓶颈问题。这是因为通常激光区熔固体陶瓷预制体的熔池深度有限，采用逐层铺陶瓷粉的方法，能够有效解决尺寸的限制，是实现大体积陶瓷成形的有效方法。但是铺粉过程中激光区熔陶瓷材料内部易产生裂纹和气孔或者材料开裂的不足，减小材料内部热应力和缺陷，提高成形样品的质量和使用性能，提出了添加激光快速成形表面气氛加热炉辅助制备致密氧化物共晶陶瓷的方法。该制备方法利用表面气氛加热炉装置与激光铺粉立体成形技术相结合，可以快速熔化高熔点材料，实现高的温度梯度(> 3000K/cm)，而且可以保证材料激光成形过程中降低热应力并完全消除裂纹。此外，在加热和成形过程中，同时充入高纯惰性气体，使得炉体中的空气完全逸出，消除了成形材料内部的气孔，可以获得稳定的晶体生长，从而便于凝固理论研究。激光快速凝固过程高的冷却速率通常致使材料在成形过程中产生大的热应力，特别是制备成形时，产品内部产生大量的裂纹甚至开裂，同时在高的冷却速度下，材料内部非平衡相及亚稳相体积分数增加，气孔同时形成，导致高温下材料组织不稳定和力学性能锐减，严重影响了激光快速成形技术在陶瓷材料上的应用，激光快速成形表面气氛加热炉通过对保温温度的调节，有效降低了成形材料与周围环境的温差和材料内部的热应力。针对Al2O3基共晶陶瓷，保温温度一般控制在800 1300°C。另外，根据不同材料，可通过调整保温温度，实现不同的冷却速率和温度梯度。激光扫描速度对共晶陶瓷微观组织有重要影响，提高激光扫描速度可以减小共晶层片间距，从而显著提高共晶陶瓷材料的力学性能，但是扫描速度过快导致熔池深度不够，不利于制备陶瓷。激光扫描速度设定为0. 6 6mm/min。本专利技术用作原材料的共晶成分的粉体可选自Al2O3与^O3 二元共晶，Al2O3与^O2二元共晶，Al2O3 与 Gd2O3 二元共晶，Al2O3 与 Er2O3 二元共晶，Al2O3 与 ^O3、Gd2O3、Er2O3 及 ^O2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：苏海军，张军，于建政，郭伟，马菱薇，张冰，于瑞龙，刘林，傅恒志，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：