一種激光近凈成形Al2O3基共晶陶瓷刀具的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種激光近凈成形Al2O3基共晶陶瓷刀具的方法，將Al2O3和陶瓷粉末分別放入送粉器兩個粉筒中，調(diào)整送粉速度使Al2O3和另一種陶瓷粉末具有一定質(zhì)量配比，以惰性氣體作為送粉和保護(hù)氣體，高能激光束在TC4基板上和前一沉積層上形成熔池并熔化注入熔池的陶瓷粉末，采用連續(xù)多道多層掃描制備Al2O3基共晶陶瓷刀具。本方法制備的Al2O3基共晶陶瓷刀具在增強(qiáng)傳統(tǒng)陶瓷刀具韌性的基礎(chǔ)上，硬度和強(qiáng)度都能得到進(jìn)一步提高，特別是在陶瓷材料熔點附近仍保持非常高的強(qiáng)度、硬度和抗蠕變性，可有效抑制在干式高速切削條件下刀具的破損和裂紋緩慢長大導(dǎo)致刀具材料性能退化，表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性,提升刀具壽命和生產(chǎn)效率。
【專利說明】
一種激光近凈成形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)，尤其涉及一種激光近凈成形Al2O3基共晶陶瓷刀具。
【背景技術(shù)】
[0002]切削加工占整個制造業(yè)加工中比例為80 %-85 %，在國內(nèi)更高達(dá)90 %，切削刀具的每一次技術(shù)變革，都會引領(lǐng)制造業(yè)加工技術(shù)的一次飛躍。當(dāng)代機(jī)械加工發(fā)展總趨勢為高效率、高精度、高柔性和強(qiáng)化環(huán)境意識，陶瓷刀具以良好的紅硬性和化學(xué)穩(wěn)定性適用于高速干式切削，可加工硬質(zhì)合金難以加工的高硬材料，并可實現(xiàn)以車代磨、以銑代拋，原料廣、節(jié)約貴金屬以降低成本等優(yōu)勢逐步進(jìn)入刀具市場，其中Al2O3基陶瓷刀具與鐵族金屬親和性小，抗氧化能力強(qiáng)，在切削過程中月牙洼磨損小，可實現(xiàn)干式高速切削加工淬硬鋼和高硬鎳，廣泛應(yīng)用于軍事國防和航空航天中的渦輪葉片、曲軸、連桿的加工制造，因此Al2O3基陶瓷刀具的增強(qiáng)增韌成為研究熱點。
[0003]目前，制備Al2O3基陶瓷刀具按材料分類主要有純Al2O3(牌號Pl)、Al2O3—碳化物系(牌號 M16/SG3)、Al203—TiC 一金屬系(牌號 AT6/LT35)、Al203—SiC 系(牌號 JX-1/WG300)、Al2O3 — (Ti/W)C系(牌號FG2)，生產(chǎn)方式主要有冷壓法燒結(jié)(CP)、熱壓法燒結(jié)(HP)、熱等靜壓法(HIP)、SHS冶金技術(shù)法，歷經(jīng)碳化物顆粒增韌、SiC晶須增韌、功能梯度增韌、復(fù)合納米增韌。激光近凈成形法(LENS)采用激光超高溫熔粉，快速冷凝制備Al2O3基共晶陶瓷刀具，晶粒及共晶間距可達(dá)百納米級，利用納米和相變協(xié)同增韌原理，有效提高Al2O3基陶瓷刀具的韌性和強(qiáng)度。有關(guān)報道如下:
[0004]南京理工大學(xué)申請?zhí)枮?01510779093.7的申請專利介紹了一種Al203/Ti(C/N)復(fù)合陶瓷刀具材料及其微波燒結(jié)工藝，利用微波燒結(jié)系統(tǒng)制備了 Al203/Ti(C/N)復(fù)合陶瓷刀具材料，但由于微波本身的特性微波爐腔體中場強(qiáng)往往不均勻，微波燒結(jié)過程中刀具材料的加熱速度非常迅速，不均勻的微波場將導(dǎo)致在刀具材料內(nèi)部不同的部位獲得不同的微波能量，出現(xiàn)很大的溫度梯度導(dǎo)致刀具材料開裂。
[0005]青島唐鵬鋼結(jié)構(gòu)工程有限公司申請?zhí)枮?01510904497.4的申請專利介紹了一種耐熱型陶瓷刀具，其所制備的Al2O3基陶瓷刀具紅硬性能較好但韌性和強(qiáng)度較低，刀具容易發(fā)生破損，降低刀具壽命和生產(chǎn)效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明為解決傳統(tǒng)陶瓷刀具在高溫條件下的斷裂韌性差、抗彎強(qiáng)度低等問題，提供一種高效優(yōu)質(zhì)且加工柔性強(qiáng)的一種激光近凈成形Al2O3基共晶陶瓷刀具的方法，不但可以提高傳統(tǒng)陶瓷刀具的紅硬性和化學(xué)穩(wěn)定性，而且由于激光近凈成形制備方式提高了陶瓷刀具的韌性和強(qiáng)度，其原因在于:
[0007]1、激光近凈成形法(LENS)采用激光超高溫熔粉，快速冷凝制備Al2O3基共晶陶瓷刀具，共晶結(jié)構(gòu)均勻且晶粒及共晶間距可達(dá)百納米量級，利用納米和相變協(xié)同增韌原理，有效提高Al2O3基陶瓷刀具的韌性和強(qiáng)度；
[0008]2、A1203基共晶陶瓷組織細(xì)小且缺陷少，共晶組織呈相互交纏的三維網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，相界面結(jié)合良好，不存在高溫下容易變形的非晶相，不能發(fā)生晶界相對滑移，應(yīng)變只能通過晶內(nèi)位錯變形協(xié)調(diào)，具有較高的強(qiáng)度和韌性，可有效提高傳統(tǒng)陶瓷刀具的耐用度。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)方案:
[0010]一種激光近凈成形Al2O3基共晶陶瓷刀具的方法，步驟如下:
[0011 ]該方法所用的系統(tǒng)為激光近凈成形系統(tǒng)；
[0012](I)成形基板和陶瓷粉末的預(yù)處理:將陶瓷粉末干燥，成形基板采用與Al2O3基共晶陶瓷熱膨脹系數(shù)相近的材料，成形前用砂紙打磨并依次用丙酮、乙醇、去離子水清洗、吹干；所述陶瓷粉末為Al203/Zr02，Al203質(zhì)量分?jǐn)?shù)54.5?60.5%41203/^(^1203質(zhì)量分?jǐn)?shù)86?92% ;SAl203/Si3N4，Al203質(zhì)量分?jǐn)?shù)92?98%。
[0013](2)成形參數(shù)的設(shè)置:設(shè)置激光功率密度為14?105W/cm2，送粉量為0.025?
0.095g/cm，每層4?9道，每道3?5cm，成形30?50層后，每層2?7道，每道I?3cm，成形1?30層;
[0014](3)打開惰性氣體為激光近凈成形Al2O3基共晶陶瓷刀具提供送粉動力和氣體保護(hù)；
[0015](4)先后啟動送粉器和激光器對復(fù)合陶瓷粉末進(jìn)行激光近凈成形，成形過程中通過改變送粉器不同粉筒的送粉轉(zhuǎn)速，以控制各陶瓷粉末的送粉量，最終實現(xiàn)一定質(zhì)量配比的Al2O3基共晶陶瓷刀具；
[0016](5)成形結(jié)束按先后順序關(guān)閉激光器、送粉器、惰性氣體。
[0017]所述的Al2O3基共晶陶瓷刀具為多道多層成形工藝，前角γ0 = 0°?10°，后角αο =5°?10°，刃傾角λ<) = -5°?-10°，刀尖圓弧半徑rc = 0.2?I臟。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0019]1、本發(fā)明中所采用的制備方法與以往報道的方法相比，Al2O3基共晶陶瓷刀具在增強(qiáng)傳統(tǒng)陶瓷刀具韌性的基礎(chǔ)上，硬度和強(qiáng)度都能得到進(jìn)一步提高，特別是在陶瓷材料熔點附近仍保持非常高的強(qiáng)度、硬度和抗蠕變性，可有效抑制在干式高速切削條件下，刀具的破損和裂紋緩慢長大導(dǎo)致刀具材料性能退化，表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，提升刀具壽命和生產(chǎn)效率；
[0020]2、本發(fā)明中所采用的制備方法與以往報道的方法相比，激光近凈成形制備刀具過程中冷卻速度更快，成形尺寸精度較高，易于得到更加細(xì)密均勻的共晶組織，有利于結(jié)構(gòu)件力學(xué)性能的提高，增強(qiáng)刀具的耐摩擦磨損性能。
【附圖說明】
[0021 ]圖1是激光近凈成形系統(tǒng)示意圖。
[0022]圖2是Al2O3-ZrO2共晶陶瓷刀具SEM微觀組織示意圖。
[0023]圖中:I工業(yè)計算機(jī);2激光器;3光纖;4-1送粉器的粉桶A;4-2送粉器的粉桶B;4-3送粉器的粉桶C; 5惰性氣體;6激光加工頭;7成形刀具;8基板。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明。
[0025]實施例1
[0026]采用Nd:YAG固體連續(xù)激光器對Al2O3和ZrO2陶瓷粉末進(jìn)行激光近凈成形，具體成形步驟如下:
[0027]A、實驗前基板8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陶瓷粉末，將粉末放至電熱式鼓風(fēng)干燥箱中100 °C下干燥5h，調(diào)整基板8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粉末放入4-1送粉器的粉筒A中，將ZrO2陶瓷粉末放入4-2送粉器的粉筒B中；
[0028]B、打開惰性氣體5為激光近凈成提供送粉動力及氣體保護(hù)，調(diào)整送粉氣壓為
0.2MPa，流量為5L/min，保護(hù)氣壓為0.110^，流量為151711^11，先后啟動4-1送粉器的粉筒八、4-2送粉器的粉筒B和激光器2，送粉器粉筒A及粉筒B的送粉轉(zhuǎn)速利用相應(yīng)變量的賦值來分別控制，以保證一定質(zhì)量配比的Al2O3基共晶陶瓷刀具；
[0029]C、設(shè)置激光功率密度105W/cm2，送粉量為0.075g/cm，每層7道，每道4cm，成形40層后，每層5道，每道3cm，成形15層；
[0030]D、先后啟動送粉器4和激光器2對復(fù)合陶瓷粉末進(jìn)行激光近凈成形，成形過程中通過改變送粉器4不同粉筒的送粉轉(zhuǎn)速，以控制各陶瓷粉末的送粉量，最終實現(xiàn)實一定質(zhì)量配比的Al2O3基共晶陶瓷刀具；
[0031 ] E、成形結(jié)束按先后順序關(guān)閉激光器、送粉器、惰性氣體。
[0032]實施例2
[0033]采用Nd:YAG固體連續(xù)激光器對Al2O3和SiC陶瓷粉末進(jìn)行激光近凈成形，具體成形步驟如下:
[0034]A、實驗前基板8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陶瓷粉末，將粉末放至電熱式鼓風(fēng)干燥箱中100°C下干燥5h，調(diào)整基板8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粉末放入4-1送粉器的粉筒A中，將SiC陶瓷粉末放入4-2送粉器的粉筒B中；
[0035]B、打開惰性氣體5為激光近凈成提供送粉動力及氣體保護(hù)，調(diào)整送粉氣壓為
0.2MPa，流量為5L/min，保護(hù)氣壓為0.110^，流量為151711^11，先后啟動4-1送粉器的粉筒八、4-2送粉器的粉筒B和激光器2，送粉器粉筒A及粉筒B的送粉轉(zhuǎn)速利用相應(yīng)變量的賦值來分別控制，以保證一定質(zhì)量配比的Al2O3基共晶陶瓷刀具；
[0036]C、設(shè)置激光功率密度14W/cm2，送粉量為0.055g/cm，每層6道，每道3.5cm，成形30層后，每層4道，每道2cm，成形20層；
[0037]D、先后啟動送粉器4和激光器2對復(fù)合陶瓷粉末進(jìn)行激光近凈成形，成形過程中通過改變送粉器4不同粉筒的送粉轉(zhuǎn)速，以控制各陶瓷粉末的送粉量，最終實現(xiàn)實一定質(zhì)量配比的Al2O3基共晶陶瓷刀具；
[0038]E、成形結(jié)束按先后順序關(guān)閉激光器、送粉器、惰性氣體。
[0039]實施例3
[0040]采用Nd:YAG固體連續(xù)激光器對Al2O3和Si3N4陶瓷粉末進(jìn)行激光近凈成形，具體成形步驟如下:
[0041 ] A、實驗前基板8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陶瓷粉末，將粉末放至電熱式鼓風(fēng)干燥箱中100 °C下干燥5h，調(diào)整基板8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粉末放入4-1送粉器的粉筒A中，將Si3N4陶瓷粉末放入4-2送粉器的粉筒B中；
[0042]B、打開惰性氣體5為激光近凈成提供送粉動力及氣體保護(hù)，調(diào)整送粉氣壓為
0.2MPa，流量為5L/min，保護(hù)氣壓為0.110^，流量為151711^11，先后啟動4-1送粉器的粉筒八、4-2送粉器的粉筒B和激光器2，送粉器粉筒A及粉筒B的送粉轉(zhuǎn)速利用相應(yīng)變量的賦值來分別控制，以保證一定質(zhì)量配比的Al2O3基共晶陶瓷刀具；
[0043]C、設(shè)置激光功率密度5 X 14W/cm2，送粉量為0.04g/cm，每層4道，每道3cm，成形30層后，每層2道，每道lcm，成形10層；
[0044]D、先后啟動送粉器4和激光器2對復(fù)合陶瓷粉末進(jìn)行激光近凈成形，成形過程中通過改變送粉器4不同粉筒的送粉轉(zhuǎn)速，以控制各陶瓷粉末的送粉量，最終實現(xiàn)實一定質(zhì)量配比的Al2O3基共晶陶瓷刀具；
[0045]E、成形結(jié)束按先后順序關(guān)閉激光器、送粉器、惰性氣體。
【主權(quán)項】
1.一種激光近凈成形Al2O3基共晶陶瓷刀具的方法，其特征在于，步驟如下: 該方法所用的系統(tǒng)為激光近凈成形系統(tǒng)； (1)成形基板和陶瓷粉末的預(yù)處理:將陶瓷粉末干燥，成形基板采用與Al2O3基共晶陶瓷熱膨脹系數(shù)相近的材料，成形前用砂紙打磨并依次用丙酮、乙醇、去離子水清洗、吹干； (2)成形參數(shù)的設(shè)置:設(shè)置激光功率密度為14?105W/cm2，送粉量為0.025?0.095g/cm，每層4?9道，每道3?5cm，成形30?50層后，每層2?7道，每道I?3cm，成形10?30層； (3)打開惰性氣體為激光近凈成形Al2O3基共晶陶瓷刀具提供送粉動力和氣體保護(hù)； (4)先后啟動送粉器和激光器對復(fù)合陶瓷粉末進(jìn)行激光近凈成形，成形過程中通過改變送粉器不同粉筒的送粉轉(zhuǎn)速，以控制各陶瓷粉末的送粉量，最終實現(xiàn)一定質(zhì)量配比的Al2O3基共晶陶瓷刀具； (5)成形結(jié)束按先后順序關(guān)閉激光器、送粉器、惰性氣體。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的陶瓷粉末為Al203/Zr02，Al203質(zhì)量分?jǐn)?shù)54.5?60.5%^1203/^(:41203質(zhì)量分?jǐn)?shù)86?92%;或厶1203/^3?41203質(zhì)量分?jǐn)?shù)92?98%。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的Al2O3基共晶陶瓷刀具為多道多層成形工藝，前角γ q = 0°?10°，后角a。= 5°?10°，刃傾角λ。=-5°?-10°，刀尖圓弧半徑rc= 0.2 ?Imm0
【文檔編號】C04B35/10GK106007679SQ201610343826
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月21日
【發(fā)明人】吳東江, 閆帥, 沈忱, 牛方勇, 馬廣義
【申請人】大連理工大學(xué)