[发明专利]低气孔率氧化铝钛陶瓷件的激光近净成形方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化铝钛陶瓷件的成形技术，特别是低气孔率氧化铝钛陶瓷件的激光近净成形方法。

背景技术

随着世界工业水平和先进制造技术的迅猛发展，对结构件在特种环境下的使用寿命要求不断提高，金属材料在高温腐蚀、绝缘以及高磨损环境下的性能已经难以满足要求，比如航空航天发动机的高磨损耐高温叶轮、极端工矿条件用机械手、国防和高新技术领域特种零部件等。而陶瓷材料由于其来源的广泛性、以及独特的耐磨、耐腐蚀、高硬度以及抗高温性能，在材料家族中备受关注，各个领域均有着十分重要的应用价值。其中Al₂O₃蕴藏分布丰富、价格低廉，比其他氧化物陶瓷的力学、热和电性能更优异，所以成为微电子工业中最常用的陶瓷材料，适用于制造各种几何形状的电子器件，为改善Al₂O₃的脆性和熔层性能，通常加入一定量的TiO₂，现在氧化铝钛材料已在工业中广泛应用。

激光近净成形技术(Laser Engineered Net Shaping-LENS^TM)是一种高能束直接作用粉末材料，通过使粉末熔化再凝固成形目标结构的先进制造方法，具有优质、高效、高精度、轻量化、低成本的特点。应用在氧化铝钛的成形制造中可以提高陶瓷件组织致密性和成分均匀性，简化制造工艺流程，不仅可以充分发挥氧化铝钛陶瓷材料的优良性能，也为此种材料的结构件直接制造提供一种新方法，实现复杂陶瓷件的制备，在工程应用领域使得特种环境下的氧化铝钛陶瓷件替代复杂金属结构件成为可能。但是由于激光加工能量高、熔凝快的特点，导致成形件内部存在大量气孔。气孔的大量存在会降低结构件的抗热震性、热循环阻力以及耐腐蚀性能之外，还可能在气孔处形成应力集中，致使裂纹、断裂等缺陷，对材料机械强度的削弱十分明显。因此激光近净成形氧化铝钛结构件过程中，有效降低结构件内部气孔率是保证氧化铝钛陶瓷件可靠性的关键。关于激光加工陶瓷材料过程中的气孔成因以及陶瓷材料气孔改善问题，以下文献均有报道：

德国学者M.F.Zawrah，J.Schneider，K.H.Zum Gahr：“激光熔覆氧化铝涂层的微观组织和力学性能”，《材料科学与工程》，2002年332A卷。

英国学者D.Triantafyllidis，L.Li，F.H.Stott：“激光熔覆陶瓷材料气孔沿固-液界面形成的机制”，《应用表面科学》，2003年208-209卷。

美国学者A.N.Samant，S.R.Paital，N.B.Dahotre：“《激光加工技术杂志》”，2008年203卷。

王东升、田宗军、沈理达：“激光重熔对等离子喷涂氧化铝钛纳米涂层微观结构的影响”，《应用表面科学》，2009年255卷。

李强、付涛、杨坤：“激光熔覆镍基碳化钨金属陶瓷气孔问题研究”，《激光杂志》，2006年27卷。

通过文献调研了解到，激光加工陶瓷材料过程中的高能量、快速熔凝、疾冷收缩以及陶瓷粉末本身的特点都会诱发材料内部产生气孔，这导致激光近净成形陶瓷材料在世界范围内开展并不广泛。因此解决加工过程中的气孔问题成为激光近净成形技术得以推广的关键因素。虽然上述文献提出可通过调节功率、扫描速度、送粉量等参数和重熔措施来改善，但存在以下不足：

首先，激光加工参数对气孔的影响是参数的综合作用并非相互独立，且各参数之间存在紧密联系，因此针对气孔问题调整激光加工参数是相当复杂甚至十分苛刻的。

其次，大多研究结果表明，虽然通过激光重熔可以改善结构件内部的气孔问题，但是效果并不理想，仍有大量气孔残留。另外，由于成形结构件层数较多，逐层重熔将大大增加过程控制的复杂性，严重影响加工效率，并且重熔过程极易增大结构件内部应力，而加剧裂纹等其他缺陷，非常不利于结构件的性能。

最后，无论是调整加工参数还是激光重熔，都将对结构件本身的宏观形貌、微观结构、结合强度、元素烧蚀等有重大影响。因此想通过工艺手段来改善气孔往往会引出其他问题，甚至失去结构件原有的使用价值。

发明内容

本发明为解决激光近净成形氧化铝钛陶瓷件过程中的气孔问题，并避免现有方法中存在的缺陷，在成形中通过调整参数使氧化铝钛粉末熔化而保留SiC粉末未熔状态。可以降低激光近净成形氧化铝钛陶瓷件中气孔率的原因是：

1、在快速熔凝过程中，未熔SiC颗粒热膨胀系数小于氧化铝钛，因此可以抑制氧化铝钛晶粒的受热生长和冷却收缩程度，避免冷却过程中收缩所造成的大空穴；