[发明专利]一种自预热激光成形ZrO2-Al2O3复合陶瓷薄壁件的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种陶瓷结构件的激光成形技术，特别是一种自预热激光成形ZrO₂-Al₂O₃复合陶瓷薄壁件方法。

背景技术

随着世界工业水平和先进制造技术的迅猛发展，对关键零部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。ZrO₂和Al₂O₃以其高熔点、高硬度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损及化学稳定性好等良好的性能，广泛应用于机械、电子、石油、航空航天和生物医学工程等主要领域。含6～8wt.%Y₂O₃稳定处理的ZrO₂—YPSZ，表现出较好的综合力学性能，成为结构陶瓷常用的材料；由于ZrO₂对裂纹敏感性较高和低温老化等缺点，通常添加Al₂O₃和ZrO₂进行复合，抑制ZrO₂的裂纹敏感性和低温老化现象，同时提高ZrO₂的中高温力学性能。因此ZrO₂-Al₂O₃系复合材料成为广泛应用的工程结构陶瓷材料。

激光成形技术(Laser Engineered Net Shaping-LENS^TM)是一种高能激光束直接作用于粉末材料，通过使粉末熔化再凝固成形为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ZrO₂-Al₂O₃复合陶瓷的成形制造中可以提高陶瓷结构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ZrO₂-Al₂O₃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，实现复杂陶瓷结构件的快速制备，在工程应用领域使得特种环境下的ZrO₂-Al₂O₃陶瓷结构件替代复杂金属结构件成为可能。但是由于激光加工能量密度高、快热快冷的特点，导致材料成形过程中存在较大的温度梯度，容易引起较大的热应力，同时高温薄壁件冷却过程中容易产生较大的残余变形，极易引起成形件中裂纹的产生。尤其在金属基板上成形陶瓷结构件时，由于过大的热应力，使得陶瓷难以和金属基板粘接，使得陶瓷成形难以进行。因此激光成形ZrO₂-Al₂O₃结构件过程中，使陶瓷和金属基板有效粘接并抑制成形件中裂纹的产生是激光成形ZrO₂-Al₂O₃陶瓷薄壁件成功的关键。关于激光加工陶瓷材料过程中的裂纹成因以及裂纹抑制问题，以下文献均有报道：

外国学者H. Maruo，I. Miyamoto，Y. Arata.：CO₂激光焊接陶瓷，第一届激光加工国际会议》，1981年。

中国学者李廷凯、沈志坚、丁子上：ZrO₂-Al₂O₃系陶瓷复合材料力学性质，《硅酸盐学报》，1990年第18卷第1期。

德国学者J. H. Ouyang，S. Nowotny，A. Richter：铝合金表面激光熔覆ZrO₂（YPSZ）陶瓷涂层”，《陶瓷国际》，2000年第27卷。

中国学者余明清：氧化锆-氧化铝复相陶瓷结构、性能与磨损机理的研究，武汉理工大学博士学位论文，2002年。

美国学者V. K. Balla，P. P. Bandyopadhyay，S. Bose: 316L不锈钢基板上激光近净成形梯度氧化锆涂层，《材料快报》，2007年第57卷。

中国学者周圣丰，曾晓燕，胡乾午：金属陶瓷复合涂层的激光熔覆与无裂纹的实现，《应用激光》， 2008年第29卷。