一種超聲輔助激光近凈成形Al₂O₃基共晶陶瓷刀具的方法

一種超聲輔助激光近凈成形Al₂O₃基共晶陶瓷刀具的方法
【專利摘要】本發明提供了一種超聲輔助激光近凈成形Al2O3基共晶陶瓷刀具的方法，將Al2O3和另一種陶瓷粉末放入送粉器兩個粉筒中，以惰性氣體作為送粉和保護氣體，高能激光束熔化注入熔池的陶瓷粉末。通過超聲裝置的預調節和實時改變輔助超聲功率，實現超聲對熔池的等效作用。超聲的空化現象可使熔池內微小氣泡上浮并脫離熔池，有效降低共晶陶瓷刀具材料的孔隙率。超聲破碎理論和過冷生核理論，影響共晶纖維組織逆熱流方向生長，使粗大枝狀晶向胞狀晶轉化，共晶陶瓷刀具材料的共晶間距可達百納米級。本發明可有效抑制陶瓷刀具材料在高溫條件下裂紋的產生和緩慢長大導致材料性能退化；超聲波輔助系統可有效細化晶粒，降低孔隙率，有效防止裂紋的產生。
【專利說明】
一種超聲輔助激光近凈成形AI2O3基共晶陶瓷刀具的方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種刀具制造技術，尤其涉及一種超聲輔助激光近凈成形Al2O3基共晶陶瓷刀具的方法。
【背景技術】
[0002]陶瓷刀具因其硬度高，耐高溫，良好的抗腐蝕性能和抗氧化能力，在高速干式切削加工領域被廣泛應用。但陶瓷刀具材料因其物理性能和化學鍵特點，強韌性較差，這成為陶瓷刀具應用的瓶頸。共晶陶瓷刀具材料消除了傳統陶瓷刀具材料界面非晶相，結構化程度和致密性得到提高，增強相分布均勻，相界面結合牢固，各向異性強，在增強了傳統陶瓷刀具韌性的基礎上，硬度和強度都得到進一步提高，特別是在陶瓷材料熔點附近仍保持非常高的硬度、強度和抗蠕變性，表現出優異的熱穩定性和機械性能，從而有望極大地提高切削加工效率和刀具壽命，因此共晶陶瓷刀具材料成為研究熱點。
[0003]目前，制備共晶陶瓷刀具材料的方法有微拉法(μ-PD法)，坩禍下降法(Bridgman法)，激光加熱浮流區法(LHFZ法)，邊緣控制薄膜生長法(EFG)和激光近凈成形法(LENS)。微拉法可將共晶間距控制在微米甚至亞微米尺寸范圍內，但在加工過程中易受坩禍污染。坩禍下降法可制備尺寸形狀復雜的共晶陶瓷刀具，但其凝固速率和溫度梯度小，共晶間距和組織過大，無法體現共晶陶瓷刀具的優異性能。激光加熱浮流區法與微拉法相比，可不受坩禍影響，避免零部件污染，但激光加熱浮流區法和微拉法僅適用于小尺寸共晶陶瓷刀具的生產制造，工藝范圍較窄。激光近凈成形法(LENS)采用激光超高溫熔粉，凝固速率快，溫度梯度高，共晶間距可達亞微米級，且脫離坩禍，無需預制胚體，加工過程簡單，可直接結構成形，對刀具尺寸要求不嚴。但激光近凈成形法制備Al2O3基共晶陶瓷刀具，高的溫度梯度使零件在加工過程中產生大的內應力，容易產生裂紋，且其單道多層的加工特點使垂直沉積方向存在周期性帶狀組織，在結合區內出現離異共晶形貌，形成偽共晶組織，降低共晶陶瓷的強度和韌性。采用超聲輔助的方法，利用超聲破碎理論和過冷生核理論，影響共晶纖維組織逆熱流方向生長，使粗大枝狀晶向胞狀晶轉化，共晶間距可達百納米級。超聲可預防帶狀區域內單一氧化物獨立成核，可有效避免偽共晶組織的出現。超聲的空化現象可使熔池內微小氣泡上浮并脫離熔池，有效降低共晶陶瓷的孔隙率。相關報道如下:
[0004]大連理工大學專利號為ZL201310086715—種激光近凈成形Al2O3-ZrO2共晶陶瓷結構件的方法，利用激光近凈成形系統制備Al2O3-ZrO2共晶陶瓷結構件，但易生裂紋，加工件在垂直沉積方向存在周期性帶狀組織，有偽共晶結構，降低零件宏觀力學性能。
[0005]大連理工大學申請號為201410239060.9—種超聲輔助激光近凈成形陶瓷件方法，其采用預熱緩冷技術和超聲輔助方法有效降低了零件裂紋的產生，提高了成形件的致密性，但其所合成的單晶陶瓷或Al2O3-YAG復合陶瓷的斷裂韌性低于Al2O3-ZrO2共晶陶瓷，特別在高溫條件下抑制裂紋產生和裂紋緩慢長大導致材料性能退化方面Al2O3-ZrO2共晶陶瓷優勢明顯;其所用超聲功率不變，薄壁件成形過程中尺寸逐漸增加，熔池距離超聲波換能器距離逐漸增大，無法實現超聲在整個快速成形中的等效輔助作用。

【發明內容】

[0006]為解決傳統陶瓷刀具斷裂韌性差和Al2O3基共晶陶瓷刀具在激光近凈成形過程中容易產生裂紋、氣孔和偽共晶組織等問題，本發明提供一種高效優質且加工柔性強的超聲輔助激光近凈成形Al2O3基共晶陶瓷刀具的方法，不但可以提高傳統陶瓷韌性和強度，而且由于成形過程中的超聲輔助避免裂紋、氣孔和偽共晶組織等諸多缺陷。
[0007]本發明的技術方案:
[0008]一種超聲輔助激光近凈成形Al2O3基共晶陶瓷刀具的方法，步驟如下:
[0009](I)超聲振動系統和激光近凈成形系統的連接和預調節
[0010]將超聲振動系統中的平臺式超聲發生裝置安放在數控機床的工作臺并保持平行后夾緊;開啟超聲波發生器，在頻率為15?25kHz范圍內搜索超聲振動系統的諧振頻率，在超聲波輸出功率密度為0.9?I.3W/cm2下工作3?5min;
[0011](2)超聲功率的選取和調節
[0012]通過計算平臺式超聲發生裝置的面積Scm2，初始超聲功率為0.9XS?1.2XSW，在提升量Z軸方向上高度每增加0.5cm超聲功率密度增加0.05-0.2ff/cm2，即形成超聲平臺激光近凈成形Al2O3基共晶陶瓷刀具；
[0013](3)成形結束按先后順序關閉激光器、送粉器、惰性氣體，調整超聲波發生器頻率，使其高于所選諧振頻率0.3?5kHz，延后2?5min關閉超聲波發生器。
[0014]本發明的有益效果:
[0015]1、本發明中所采用的制備方法與以往報道的方法相比，用超聲破碎理論和過冷生核理論，影響共晶纖維組織逆熱流方向生長，使粗大枝狀晶向胞狀晶轉化，Al2O3基共晶陶瓷刀具材料的共晶間距可達百納米級；
[0016]2、本發明中所采用的制備方法與以往報道的方法相比，超聲可預防Al2O3基共晶陶瓷刀具材料帶狀區域內單一氧化物獨立成核，可有效避免偽共晶組織的出現；
[0017]3、本發明中所采用的制備方法與以往報道的方法相比，超聲的空化現象可使熔池內微小氣泡上浮并脫離熔池，有效降低Al2O3基共晶陶瓷刀具的孔隙率。
【附圖說明】
[0018]圖1是Al2O3基共晶陶瓷刀具的超聲輔助激光近凈成形系統示意圖。
[0019]圖中:I激光器;2Al2O3基共晶陶瓷刀具;3平臺式超聲發生裝置;4超聲波發生器;5激光測振儀。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖和技術方案，進一步說明本發明的【具體實施方式】。
[0021]實施例1
[0022]采用Nd: YAG固體連續激光器和超聲輔助裝置對Al2O3和ZrO2粉末進行激光近凈成形，具體成形步驟如下:
[0023]A、對超聲發生裝置平臺3用砂紙打磨并依次用丙酮、乙醇、去離子水清洗、吹干，選擇直徑為40?90μπι的Al2O3和ZrO2粉末，將粉末放至電熱式鼓風干燥箱中100 °C下干燥4h，調整超聲平臺3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重合，以最大程度地提高粉末利用率，然后將Al2O3和ZrO2粉末分別放入送粉器的兩個粉筒中；
[0024]B、開啟超聲波發生器4，在17?23kHz頻率范圍內搜索超聲波振動系統的諧振頻率，觀察超聲波發生器示波器4上輸出的正弦波波形，選擇最符合輸出波形特征的諧振點為20kHz，通過計算超聲平臺的面積200cm2，初始超聲功率為180W，刀具為單道多層成形高度逐漸增加，高度每提升0.5cm超聲功率密度增加0.1ff/cm2;
[0025]C、打開惰性氣體為激光近凈成形提供送粉動力及氣體保護，調整送粉氣壓為0.2MPa，流量為5L/min，保護氣壓為0.1MPa，流量為15L/min，先后啟動送粉器的粉筒和激光器I進行Al2O3基共晶陶瓷刀具成形，送粉器粉筒A及粉筒B的送粉轉速利用相應變量的賦值來分別控制，以保證Al2O3基共晶陶瓷刀具中Al2O3質量分數，設置激光功率密度105W/cm2，送粉量為2.09g/min，Z軸提升速度為1200mm/min，打印掃描速度400mm/min;
[0026]D、成形結束按先后順序關閉激光器1、送粉器、惰性氣體，調整超聲波發生器4頻率，使其高于所選諧振頻率2kHz，延后3min關閉超聲波發生器4和激光測振儀5。
[0027]實施例2
[0028]采用Nd:YAG固體連續激光器和超聲輔助裝置對Al2O3和SiC粉末進行激光近凈成形，具體成形步驟如下:
[0029]A、實驗前超聲發生裝置平臺3用砂紙打磨并依次用丙酮、乙醇、去離子水清洗、吹干，選擇直徑為40?90μπι的Al2O3和SiC粉末，將粉末放至電熱式鼓風干燥箱中100 °C下干燥5h，調整超聲平臺3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重合，以最大程度地提高粉末利用率，然后將陶瓷粉末放入送粉器的粉筒中；
[0030]B、開啟超聲波發生器4，在20?22kHz頻率范圍內搜索超聲波振動系統的諧振頻率，觀察超聲波發生器示波器4上輸出的正弦波波形，選擇最符合輸出波形特征的諧振點為
21.5kHz，通過計算超聲平臺的面積200cm2，初始超聲功率為220W，刀具為單道多層成形高度逐漸增加，高度每提升0.5cm超聲功率密度增加0.15ff/cm2;
[0031]C、打開惰性氣體為激光近凈成形提供送粉動力及氣體保護，調整送粉氣壓為0.2MPa，流量為5L/min，保護氣壓為0.1MPa，流量為15L/min，先后啟動送粉器的粉筒和激光器I進行Al2O3基共晶陶瓷刀具成形，送粉器粉筒A及粉筒B的送粉轉速利用相應變量的賦值來分別控制，以保證Al2O3基共晶陶瓷刀具中Al2O3質量分數，設置激光功率密度105W/cm2，送粉量為2.38g/min，Z軸提升速度為1100mm/min，打印掃描速度450mm/min;
[0032]D、成形結束按先后順序關閉激光器1、送粉器、惰性氣體，調整超聲波發生器4頻率，使其高于所選諧振頻率3.5kHz，延后5min關閉超聲波發生器4和激光測振儀5。
[0033]實施例3
[0034]采用Nd:YAG固體連續激光器和超聲輔助裝置對Al2O3和Si3N4粉末進行激光近凈成形，具體成形步驟如下:
[0035]A、實驗前超聲發生裝置平臺3用砂紙打磨并依次用丙酮、乙醇、去離子水清洗、吹干，選擇直徑為40?90μπι的Al2O3和Si3N4粉末，將粉末放至電熱式鼓風干燥箱中100°C下干燥4h，調整超聲平臺3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重合，以最大程度地提高粉末利用率，然后將陶瓷粉末放入送粉器的粉筒中；
[0036]B、開啟超聲波發生器4，在20?25kHz頻率范圍內搜索超聲波振動系統的諧振頻率，觀察超聲波發生器示波器4上輸出的正弦波波形，選擇最符合輸出波形特征的諧振點為25kHz，通過計算超聲平臺的面積200cm2，初始超聲功率為240W，刀具為單道多層成形高度逐漸增加，高度每提升0.5cm超聲功率密度增加0.2ff/cm2;
[0037]C、打開惰性氣體為激光近凈成形提供送粉動力及氣體保護，調整送粉氣壓為
0.2MPa，流量為5L/min，保護氣壓為0.1MPa，流量為15L/min，先后啟動送粉器的粉筒和激光器I進行Al2O3基共晶陶瓷刀具成形，送粉器粉筒A及粉筒B的送粉轉速利用相應變量的賦值來分別控制，以保證Al2O3基共晶陶瓷刀具中Al2O3質量分數，設置激光功率密度105W/cm2，送粉量為2.56g/min，Z軸提升速度為1250mm/min，打印掃描速度500mm/min ；
[0038]D、成形結束按先后順序關閉激光器1、送粉器、惰性氣體，調整超聲波發生器4頻率，使其高于所選諧振頻率5kHz，延后5min關閉超聲波發生器4和激光測振儀5。
【主權項】
1.一種超聲輔助激光近凈成形Al2O3基共晶陶瓷刀具的方法，其特征在于，步驟如下: (1)超聲振動系統和激光近凈成形系統的連接和預調節 將超聲振動系統中的平臺式超聲發生裝置安放在數控機床的工作臺并保持平行后夾緊;開啟超聲波發生器，在頻率為15?25kHz范圍內搜索超聲振動系統的諧振頻率，在超聲波輸出功率密度為0.9?I.3W/cm2下工作3?5min; (2)超聲功率的選取和調節 通過計算平臺式超聲發生裝置的面積S cm2，初始超聲功率為0.9 X S?1.2 X SW，在提升量Z軸方向上高度每增加0.5cm超聲功率密度增加0.05-0.2ff/cm2，即形成超聲平臺激光近凈成形Al2O3基共晶陶瓷刀具； (3)成形結束按先后順序關閉激光器、送粉器、惰性氣體，調整超聲波發生器頻率，使其高于所選諧振頻率0.3?5kHz，延后2?5min關閉超聲波發生器;使其高于所選諧振頻率0.3?5kHz，延后2?5min關閉超聲波發生器。2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的Al2O3基共晶陶瓷刀具中的另一種陶瓷粉末為Zr02、Si3N4或SiC。
【文檔編號】C04B35/653GK105948722SQ201610390878
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月3日
【發明人】吳東江, 閆帥, 沈忱, 牛方勇, 馬廣義
【申請人】大連理工大學