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(fā)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(gè)粉筒中，以惰性氣體作為送粉和保護(hù)氣體，高能激光束熔化注入熔池的陶瓷粉末。通過(guò)超聲裝置的預(yù)調(diào)節(jié)和實(shí)時(shí)改變輔助超聲功率，實(shí)現(xiàn)超聲對(duì)熔池的等效作用。超聲的空化現(xiàn)象可使熔池內(nèi)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(guò)冷生核理論，影響共晶纖維組織逆熱流方向生長(zhǎng)，使粗大枝狀晶向胞狀晶轉(zhuǎn)化，共晶陶瓷刀具材料的共晶間距可達(dá)百納米級(jí)。本發(fā)明可有效抑制陶瓷刀具材料在高溫條件下裂紋的產(chǎn)生和緩慢長(zhǎng)大導(dǎo)致材料性能退化；超聲波輔助系統(tǒng)可有效細(xì)化晶粒，降低孔隙率，有效防止裂紋的產(chǎn)生。
【專利說(shuō)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(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種刀具制造技術(shù)，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(shù)】
[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(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。但陶瓷刀具材料因其物理性能和化學(xué)鍵特點(diǎn)，強(qiáng)韌性較差，這成為陶瓷刀具應(yīng)用的瓶頸。共晶陶瓷刀具材料消除了傳統(tǒng)陶瓷刀具材料界面非晶相，結(jié)構(gòu)化程度和致密性得到提高，增強(qiáng)相分布均勻，相界面結(jié)合牢固，各向異性強(qiáng)，在增強(qiáng)了傳統(tǒng)陶瓷刀具韌性的基礎(chǔ)上，硬度和強(qiáng)度都得到進(jìn)一步提高，特別是在陶瓷材料熔點(diǎn)附近仍保持非常高的硬度、強(qiáng)度和抗蠕變性，表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和機(jī)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(diǎn)。
[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(qū)法(LHFZ法)，邊緣控制薄膜生長(zhǎng)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(nèi)，但在加工過(guò)程中易受坩禍污染。坩禍下降法可制備尺寸形狀復(fù)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(guò)大，無(wú)法體現(xiàn)共晶陶瓷刀具的優(yōu)異性能。激光加熱浮流區(qū)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(qū)法和微拉法僅適用于小尺寸共晶陶瓷刀具的生產(chǎn)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(dá)亞微米級(jí)，且脫離坩禍，無(wú)需預(yù)制胚體，加工過(guò)程簡(jiǎn)單，可直接結(jié)構(gòu)成形，對(duì)刀具尺寸要求不嚴(yán)。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(guò)程中產(chǎn)生大的內(nèi)應(yīng)力，容易產(chǎn)生裂紋，且其單道多層的加工特點(diǎn)使垂直沉積方向存在周期性帶狀組織，在結(jié)合區(qū)內(nèi)出現(xiàn)離異共晶形貌，形成偽共晶組織，降低共晶陶瓷的強(qiáng)度和韌性。采用超聲輔助的方法，利用超聲破碎理論和過(guò)冷生核理論，影響共晶纖維組織逆熱流方向生長(zhǎng)，使粗大枝狀晶向胞狀晶轉(zhuǎn)化，共晶間距可達(dá)百納米級(jí)。超聲可預(yù)防帶狀區(qū)域內(nèi)單一氧化物獨(dú)立成核，可有效避免偽共晶組織的出現(xiàn)。超聲的空化現(xiàn)象可使熔池內(nèi)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(guān)報(bào)道如下:
[0004]大連理工大學(xué)專利號(hào)為ZL201310086715—種激光近凈成形Al2O3-ZrO2共晶陶瓷結(jié)構(gòu)件的方法，利用激光近凈成形系統(tǒng)制備Al2O3-ZrO2共晶陶瓷結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，降低零件宏觀力學(xué)性能。
[0005]大連理工大學(xué)申請(qǐng)?zhí)枮?01410239060.9—種超聲輔助激光近凈成形陶瓷件方法，其采用預(yù)熱緩冷技術(shù)和超聲輔助方法有效降低了零件裂紋的產(chǎn)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(fù)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(chǎn)生和裂紋緩慢長(zhǎng)大導(dǎo)致材料性能退化方面Al2O3-ZrO2共晶陶瓷優(yōu)勢(shì)明顯;其所用超聲功率不變，薄壁件成形過(guò)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(wú)法實(shí)現(xiàn)超聲在整個(gè)快速成形中的等效輔助作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為解決傳統(tǒng)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(guò)程中容易產(chǎn)生裂紋、氣孔和偽共晶組織等問(wèn)題，本發(fā)明提供一種高效優(yōu)質(zhì)且加工柔性強(qiáng)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(tǒng)陶瓷韌性和強(qiáng)度，而且由于成形過(guò)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(fā)明的技術(shù)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(dòng)系統(tǒng)和激光近凈成形系統(tǒng)的連接和預(yù)調(diào)節(jié)
[0010]將超聲振動(dòng)系統(tǒng)中的平臺(tái)式超聲發(fā)生裝置安放在數(shù)控機(jī)床的工作臺(tái)并保持平行后夾緊;開(kāi)啟超聲波發(fā)生器，在頻率為15?25kHz范圍內(nèi)搜索超聲振動(dòng)系統(tǒng)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(diào)節(jié)
[0012]通過(guò)計(jì)算平臺(tái)式超聲發(fā)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(tái)激光近凈成形Al2O3基共晶陶瓷刀具；
[0013](3)成形結(jié)束按先后順序關(guān)閉激光器、送粉器、惰性氣體，調(diào)整超聲波發(fā)生器頻率，使其高于所選諧振頻率0.3?5kHz，延后2?5min關(guān)閉超聲波發(fā)生器。
[0014]本發(fā)明的有益效果:
[0015]1、本發(fā)明中所采用的制備方法與以往報(bào)道的方法相比，用超聲破碎理論和過(guò)冷生核理論，影響共晶纖維組織逆熱流方向生長(zhǎng)，使粗大枝狀晶向胞狀晶轉(zhuǎn)化，Al2O3基共晶陶瓷刀具材料的共晶間距可達(dá)百納米級(jí)；
[0016]2、本發(fā)明中所采用的制備方法與以往報(bào)道的方法相比，超聲可預(yù)防Al2O3基共晶陶瓷刀具材料帶狀區(qū)域內(nèi)單一氧化物獨(dú)立成核，可有效避免偽共晶組織的出現(xiàn)；
[0017]3、本發(fā)明中所采用的制備方法與以往報(bào)道的方法相比，超聲的空化現(xiàn)象可使熔池內(nèi)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(shuō)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(tǒng)示意圖。
[0019]圖中:I激光器;2Al2O3基共晶陶瓷刀具;3平臺(tái)式超聲發(fā)生裝置;4超聲波發(fā)生器;5激光測(cè)振儀。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和技術(shù)方案，進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0021]實(shí)施例1
[0022]采用Nd: YAG固體連續(xù)激光器和超聲輔助裝置對(duì)Al2O3和ZrO2粉末進(jìn)行激光近凈成形，具體成形步驟如下:
[0023]A、對(duì)超聲發(fā)生裝置平臺(tái)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(fēng)干燥箱中100 °C下干燥4h，調(diào)整超聲平臺(tái)3使同軸送粉的粉末流焦點(diǎn)處于基板的表面，同時(shí)保證粉末流焦點(diǎn)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(gè)粉筒中；
[0024]B、開(kāi)啟超聲波發(fā)生器4，在17?23kHz頻率范圍內(nèi)搜索超聲波振動(dòng)系統(tǒng)的諧振頻率，觀察超聲波發(fā)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(diǎn)為20kHz，通過(guò)計(jì)算超聲平臺(tái)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(kāi)惰性氣體為激光近凈成形提供送粉動(dòng)力及氣體保護(hù)，調(diào)整送粉氣壓為0.2MPa，流量為5L/min，保護(hù)氣壓為0.1MPa，流量為15L/min，先后啟動(dòng)送粉器的粉筒和激光器I進(jìn)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(zhuǎn)速利用相應(yīng)變量的賦值來(lái)分別控制，以保證Al2O3基共晶陶瓷刀具中Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)，設(shè)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(jié)束按先后順序關(guān)閉激光器1、送粉器、惰性氣體，調(diào)整超聲波發(fā)生器4頻率，使其高于所選諧振頻率2kHz，延后3min關(guān)閉超聲波發(fā)生器4和激光測(cè)振儀5。
[0027]實(shí)施例2
[0028]采用Nd:YAG固體連續(xù)激光器和超聲輔助裝置對(duì)Al2O3和SiC粉末進(jìn)行激光近凈成形，具體成形步驟如下:
[0029]A、實(shí)驗(yàn)前超聲發(fā)生裝置平臺(tái)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(fēng)干燥箱中100 °C下干燥5h，調(diào)整超聲平臺(tái)3使同軸送粉的粉末流焦點(diǎn)處于基板的表面，同時(shí)保證粉末流焦點(diǎn)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(kāi)啟超聲波發(fā)生器4，在20?22kHz頻率范圍內(nèi)搜索超聲波振動(dòng)系統(tǒng)的諧振頻率，觀察超聲波發(fā)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(diǎn)為
21.5kHz，通過(guò)計(jì)算超聲平臺(tái)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(kāi)惰性氣體為激光近凈成形提供送粉動(dòng)力及氣體保護(hù)，調(diào)整送粉氣壓為0.2MPa，流量為5L/min，保護(hù)氣壓為0.1MPa，流量為15L/min，先后啟動(dòng)送粉器的粉筒和激光器I進(jìn)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(zhuǎn)速利用相應(yīng)變量的賦值來(lái)分別控制，以保證Al2O3基共晶陶瓷刀具中Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)，設(shè)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(jié)束按先后順序關(guān)閉激光器1、送粉器、惰性氣體，調(diào)整超聲波發(fā)生器4頻率，使其高于所選諧振頻率3.5kHz，延后5min關(guān)閉超聲波發(fā)生器4和激光測(cè)振儀5。
[0033]實(shí)施例3
[0034]采用Nd:YAG固體連續(xù)激光器和超聲輔助裝置對(duì)Al2O3和Si3N4粉末進(jìn)行激光近凈成形，具體成形步驟如下:
[0035]A、實(shí)驗(yàn)前超聲發(fā)生裝置平臺(tái)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(fēng)干燥箱中100°C下干燥4h，調(diào)整超聲平臺(tái)3使同軸送粉的粉末流焦點(diǎn)處于基板的表面，同時(shí)保證粉末流焦點(diǎn)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(kāi)啟超聲波發(fā)生器4，在20?25kHz頻率范圍內(nèi)搜索超聲波振動(dòng)系統(tǒng)的諧振頻率，觀察超聲波發(fā)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(diǎn)為25kHz，通過(guò)計(jì)算超聲平臺(tái)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(kāi)惰性氣體為激光近凈成形提供送粉動(dòng)力及氣體保護(hù)，調(diào)整送粉氣壓為
0.2MPa，流量為5L/min，保護(hù)氣壓為0.1MPa，流量為15L/min，先后啟動(dòng)送粉器的粉筒和激光器I進(jìn)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(zhuǎn)速利用相應(yīng)變量的賦值來(lái)分別控制，以保證Al2O3基共晶陶瓷刀具中Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)，設(shè)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(jié)束按先后順序關(guān)閉激光器1、送粉器、惰性氣體，調(diào)整超聲波發(fā)生器4頻率，使其高于所選諧振頻率5kHz，延后5min關(guān)閉超聲波發(fā)生器4和激光測(cè)振儀5。
【主權(quán)項(xiàng)】
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(dòng)系統(tǒng)和激光近凈成形系統(tǒng)的連接和預(yù)調(diào)節(jié) 將超聲振動(dòng)系統(tǒng)中的平臺(tái)式超聲發(fā)生裝置安放在數(shù)控機(jī)床的工作臺(tái)并保持平行后夾緊;開(kāi)啟超聲波發(fā)生器，在頻率為15?25kHz范圍內(nèi)搜索超聲振動(dòng)系統(tǒng)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(diào)節(jié) 通過(guò)計(jì)算平臺(tái)式超聲發(fā)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(tái)激光近凈成形Al2O3基共晶陶瓷刀具； (3)成形結(jié)束按先后順序關(guān)閉激光器、送粉器、惰性氣體，調(diào)整超聲波發(fā)生器頻率，使其高于所選諧振頻率0.3?5kHz，延后2?5min關(guān)閉超聲波發(fā)生器;使其高于所選諧振頻率0.3?5kHz，延后2?5min關(guān)閉超聲波發(fā)生器。2.根據(jù)權(quán)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(hào)】C04B35/653GK105948722SQ201610390878
【公開(kāi)日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年6月3日
【發(fā)明人】吳東江, 閆帥, 沈忱, 牛方勇, 馬廣義
【申請(qǐng)人】大連理工大學(xué)