專利名稱：激光快速成形表面氣氛加熱爐的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及高性能材料激光快速成形制備領域，具體是一種實現(xiàn)高熔點、大熱應力材料的激光快速成形表面氣氛加熱爐。
背景技術：
氧化物陶瓷具有高熔點、良好的高溫強度、抗氧化性和抗腐蝕性，適于長期在高溫氧化性氣氛下工作。然而，迄今為止氧化物陶瓷材料的主要制備技術仍是粉末燒結法。由于粉末燒結陶瓷材料均為多晶組織，通常無法得到單晶組成相，陶瓷顆粒、基體和其他組成相 (如增強相或增韌相)以及各組成相之間均存在著大量的弱連接界面，顯微組織的均勻性和穩(wěn)定性以及材料的孔隙率均難以控制，導致陶瓷材料高溫力學性能銳減，極大的限制了陶瓷材料在超高溫條件下的應用。定向凝固技術能夠使材料的組織按特定方向排列，獲得定向及單晶結構，從而明顯改善材料的力學和物理性質(zhì)，已被廣泛應用于航空發(fā)動機葉片、 激光晶體、紅外晶體以及高溫金屬間化合物。氧化物共晶自生陶瓷是將定向凝固技術應用于高性能陶瓷，制備的材料具有優(yōu)異的高溫強度、熱穩(wěn)定性、抗蠕變特性及高溫抗氧化性， 是近年來發(fā)展的有望在1650°C以上惡劣環(huán)境下長期使用的超高溫結構材料。因此，發(fā)展新的定向凝固技術和裝置并拓展其應用是目前共晶陶瓷領域發(fā)展的方向。然而，氧化物陶瓷的熔點大都在1800°C以上，目前的定向凝固設備普遍難以實現(xiàn)超高溫以獲得陶瓷熔體，坩堝(Ir貴金屬)成本非常高且為一次性使用；此外，陶瓷的熱導率與金屬相比較低，凝固設備的溫度梯度較低(< lOOK/cm)，難以獲得高的冷卻速度，易導致組織粗大，性能劣化。激光具有非常高的能量密度，能夠快速熔化非常高熔點的材料，用于定向凝固時固液界面溫度梯度可達IO3 104K/cm數(shù)量級，遠高于常規(guī)技術的IO1 IO2K/ cm數(shù)量級。激光快速成形技術是一種利用高能激光束對金屬或非金屬材料進行激光表面熔化與無界面快速熱傳導自淬火激冷快速定向凝固，不僅可以直接獲得具有快速凝固組織特征和特殊物理化學及力學性能的表層材料外，而且可以實現(xiàn)高性能復雜結構零件的無模具、快速、全致密近凈成形，具有熔煉溫度高、溫度梯度高、凝固速率控制精度高、材料和環(huán)境適應性廣泛、無污染等特點，已受到國內(nèi)外眾多學者的高度重視。例如西北工業(yè)大學凝固技術國家重點實驗室蘇海軍，張軍等人采用激光區(qū)熔定向凝固技術制備了 A1203/YAG共晶復合陶瓷，然而由于未預熱，成形試樣存在裂紋和缺陷，目前僅限于制備較小尺寸的樣品。與金屬材料相比，氧化物陶瓷具有非常低的熱導率，激光快速凝固過程高的冷卻速率通常致使材料在成形過程中產(chǎn)生大的熱應力，特別是制備大體積成形時，產(chǎn)品內(nèi)部產(chǎn)生大量的裂紋甚至開裂，同時在高的冷卻速度下，材料內(nèi)部非平衡相及亞穩(wěn)相體積分數(shù)增加，氣孔同時形成，導致高溫下材料組織不穩(wěn)定和力學性能銳減，嚴重影響了激光快速成形技術在陶瓷材料上的應用，成為激光技術在非金屬材料上應用的瓶頸問題。此外，在金屬材料激光修復過程中，零件在高能激光束作用下即冷即熱，同樣容易產(chǎn)生裂紋和缺陷，制約了高精度零件的修復和制造。最近的研究表明在激光熔化試樣的同時對樣品下表面進行高溫預熱，將能有效的消除試樣快速凝固時產(chǎn)生的熱應力，從而抑制裂紋和缺陷的產(chǎn)生。然而目前通常的高溫爐主要是用于難熔材料的燒結制備，且燒結是在封閉的環(huán)境中進行，無法引入激光，難以與激光快速成形技術結合使用。此外，激光加工時僅需要對試樣下表面進行一定的預熱，而目前的燒結爐的發(fā)熱體是在爐體的側面，是對試樣整體進行加熱，難以形成一定的溫度梯度，使得材料的組織偏大，影響材料的性能。

發(fā)明內(nèi)容
為克服目前激光快速成形過程中材料內(nèi)部易產(chǎn)生裂紋和氣孔或者脆性材料開裂， 減小材料內(nèi)部熱應力和缺陷，提高成形樣品的質(zhì)量和使用性能，本發(fā)明提出了一種激光快速成形表面氣氛加熱爐。本發(fā)明包括發(fā)熱體、熱電偶、爐體、激光器、氣體流量計、溫控器、加熱板和2根進氣管。其中，加熱板位于爐體內(nèi)，并置于試樣墊板和硅碳棒發(fā)熱體之間。在加熱板一個端面中間有沿該加熱板長度方向分布的熱電偶插孔；所述的熱電偶插孔的孔徑與熱電偶的外徑相同。熱電偶插入加熱板內(nèi)。發(fā)熱體位于加熱爐爐腔內(nèi)底部，該發(fā)熱體的一端穿過爐壁與位于爐體外的溫控器連接。2根進氣管的一端分別從爐體的兩側穿過爐體壁，插入爐體內(nèi)， 位于試樣的上表面處并與試樣的上表面之間有3 5mm的間距，2根進氣管的另一端分別通過氣體流量計與氣源連接。爐體的一側有爐蓋，該爐蓋的寬度為爐體該側壁厚與爐體內(nèi)腔之和。在爐蓋的中心有激光打入孔；加熱板為長方形板，采用再結晶的碳化硅制作。激光器位于爐體上方，并與爐蓋中心的激光打入孔對應。在爐體一端的爐壁上有觀察窗，并且該觀察窗下表面高于試樣上表面2 3mm。本發(fā)明的有益效果是激光快速成形表面氣氛加熱爐通過對韌性較差，熱應力大的材料進行高溫保溫處理(最大溫度達1300°C )，有效降低了成形材料與周圍環(huán)境的溫差和材料內(nèi)部的熱應力。當高能量激光輻照到成形材料上表面時，下表面在加熱爐的作用下同時升高到較高溫度，上下表面溫差大幅減小(陶瓷材料)，甚至接近(金屬材料)，從而保證基材不會激熱開裂，同時又可以保證熔體在冷卻的過程中不會因為激冷導產(chǎn)生致裂紋和缺陷，極大的提高了材料成形的質(zhì)量和性能，并使得激光快速成形技術制備大體積脆性材料成為可能。采用該加熱爐，能夠獲得表面光滑、無裂紋，100%致密的Al2O3基復合陶瓷。 根據(jù)不同材料，可通過調(diào)整保溫溫度，實現(xiàn)不同的冷卻速率和溫度梯度。由于裂紋消失和熱應力減少，熔體生長更趨穩(wěn)定。本發(fā)明在加熱的同時能夠從兩路向爐內(nèi)通入惰性保護氣體，使得爐內(nèi)的水汽和空氣可以充分的排出，消除熔體快速凝固時內(nèi)部產(chǎn)生的氣孔，提高材料的致密性。對于易氧化和易揮發(fā)的材料，該裝置還可以防止材料激光成形過程中氧化和成分發(fā)生變化。本發(fā)明能夠快速熔化高熔點材料，實現(xiàn)高的溫度梯度(> 3000K/cm)，而且能夠降低材料激光成形過程中的熱應力并完全消除裂紋。此外，在加熱和成形過程中，同時充入高純惰性氣體，使得爐體中的空氣完全逸出，消除了成形材料內(nèi)部的氣孔，可以獲得穩(wěn)定的晶體生長。


附圖1是本發(fā)明裝置爐蓋閉合時的結構示意圖。
附圖2是本發(fā)明裝置爐蓋打開時的結構示意圖。附圖3是本發(fā)明裝置的左視圖。附圖4是本發(fā)明裝置的俯視圖。1.發(fā)熱體 2.熱電偶3.加熱板4.進氣管 5.爐體 6.觀察窗7.爐蓋 8.激光入孔 9.試樣 10.激光器 11.光束12.氣體流量計13.溫控器14.爐體電源線15.外接電源線16.氣流計閥門 17.試樣墊板
具體實施例方式實施例一本實施例是一種用于加熱A1203/YAG共晶自生復合燒結陶瓷板的激光快速成形表面氣氛加熱爐。試樣的尺寸為68mmX15mmX5mm。本實施例包括發(fā)熱體1、熱電偶2、碳化硅再結晶的加熱板3、進氣管4、爐體5、觀察窗6、爐蓋7、激光入孔8、試樣9、激光器10、光束11、氣體流量計12、溫控器13、爐體電源線14、外接電源線15、氣流計閥門16和試樣墊板17。其中，爐體5為長方形殼體。加熱板 3位于爐體5內(nèi)，并置于試樣墊板17和用硅碳棒制作的發(fā)熱體1之間。在爐體一端的殼體上開有一直徑7mm的通孔，用于安裝熱電偶；所述熱電偶通孔的中心與加熱板厚度的中心位于同一水平面，并且熱電偶與加熱板3的端面相對應。熱電偶2 —端從該通孔插入碳化硅再結晶的加熱板3內(nèi)，另一端通過爐體電源線14與位于爐體外的溫控器13相連接。硅碳棒的發(fā)熱體1位于加熱爐爐腔內(nèi)底部，該發(fā)熱體1的一端穿過爐壁與位于爐體外的溫控器13連接。2根外接電源線15分別與溫控器13的正負端口連接。激光器10位于爐體5 上方，并與爐蓋7中心的激光打入孔8對應。2根進氣管4的一端分別對稱的從爐體5長度方向的兩側穿過爐體壁，插入爐體5 內(nèi)，位于試樣9的上表面處并與試樣9的上表面之間有3mm的間距；2根進氣管4的另一端分別通過氣體流量計12與氣源連接。在爐體5 —端的側壁上開有一貫通爐體5的長方形觀察窗6，并且該觀察窗6的下表面高于試樣9上表面3mm處。爐體頂部一側安裝有活動的爐蓋7，該爐蓋7能夠沿爐體長度方向自由推拉；所述爐蓋7的寬度為爐體5側壁厚與爐體內(nèi)腔之和；在爐蓋7的中心處開有一尺寸為75mmX20mmX IOmm的長方形激光打入孔8。加熱板3為長方形板，采用再結晶的碳化硅制作。在加熱板3—個端面中間有沿該加熱板3長度方向分布的熱電偶插孔。所述的熱電偶插孔的孔徑與熱電偶2的外徑相同。試樣墊板17為與A1203/YAG共晶自生復合陶瓷同成分的復合材料燒結體。試樣墊板17為矩形板，其外形尺寸略大于試樣9。試樣墊板17被置于加熱板3上表面。試樣9置于試樣墊板17上表面；試樣9的中心與激光打入孔8的中心對應。使用時，先通過拉手7拉開爐蓋，將試樣9放在試樣墊板17上，然后關閉爐蓋，并用保溫材料蓋住激光入孔8。打開氣流計閥門16，通過氣體輸送管通入保護氣體隊將爐體內(nèi)的空氣排除；氣體流速通過氣體流量計12調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)溫控器13設定加熱功率和加熱溫度，通過對發(fā)熱體通入電流使其發(fā)熱，對在它上表面的加熱板3進行加熱并同時輻射加熱試樣9，當加熱板3加熱到設定溫度，由控溫系統(tǒng)13自動調(diào)節(jié)加熱電流，實現(xiàn)對加熱板及試樣的保溫，保溫一定時間，使試樣9溫度與加熱板3溫度一致。然后開始從激光打入孔8通入激光束11，設定激光的功率、掃描速度和光斑直徑對試樣進行水平方向的掃描熔化和區(qū)熔定向凝固。實施例二本實施例是一種用于加熱高純Al2O3-Y2O3共晶成分超細粉末的激光快速成形表面氣氛加熱爐。粉末顆粒直徑大小為1 2μπι，鋪粉尺寸為45mmX20mmX2mm。本實施例包括發(fā)熱體1、熱電偶2、碳化硅再結晶的加熱板3、進氣管4、爐體5、觀察窗6、爐蓋7、激光入孔8、粉末試樣9、激光器10、光束11、氣體流量計12、溫控器13、爐體電源線14、外接電源線15、氣流計閥門16和試樣墊板17。其中，爐體5為長方形殼體。加熱板3位于爐體5內(nèi)，并置于試樣墊板17和用硅碳棒制作的發(fā)熱體1之間。在爐體一端的殼體上開有一直徑7mm的通孔，用于安裝熱電偶；所述熱電偶通孔的中心與加熱板厚度的中心位于同一水平面，并且熱電偶與加熱板3的端面相對應。熱電偶2 —端從該通孔插入碳化硅再結晶的加熱板3內(nèi)，另一端通過爐體電源線14與位于爐體外的溫控器13相連接。 硅碳棒的發(fā)熱體1位于加熱爐爐腔內(nèi)底部，該發(fā)熱體1的一端穿過爐壁與位于爐體外的溫控器13連接。2根外接電源線15分別與溫控器13的正負端口連接。激光器10位于爐體 5上方，并與爐蓋7中心的激光打入孔8對應。2根進氣管4的一端分別對稱的從爐體5長度方向的兩側穿過爐體壁，插入爐體5 內(nèi)，位于粉末試樣9的上表面處并與試樣9的上表面之間有5mm的間距；2根進氣管4的另一端分別通過氣體流量計12與氣源連接。在爐體5 —端的側壁上開有一貫通爐體5的長方形觀察窗6，并且該觀察窗6的下表面高于粉末試樣9上表面2mm處。爐體頂部一側安裝有活動的爐蓋7，該爐蓋7能夠沿爐體長度方向自由推拉；所述爐蓋7的寬度為爐體5側壁厚與爐體內(nèi)腔之和；在爐蓋7的中心處開有一尺寸為50mmX35mmX10mm的長方形激光打入孔8。加熱板3為長方形板，采用再結晶的碳化硅制作。在加熱板3—個端面中間有沿該加熱板3長度方向分布的熱電偶插孔。所述的熱電偶插孔的孔徑與熱電偶2的外徑相同。試樣墊板17為與Al2O3^2O3共晶粉末同成分的復合材料燒結體。試樣墊板17為矩形板，其外形尺寸略大于預成形試樣9。試樣墊板17被置于加熱板3上表面。粉末試樣 9置于試樣墊板17上表面；試樣9的中心與激光打入孔8的中心對應。使用時，先通過拉手7拉開爐蓋，將共晶粉末試樣9放在試樣墊板17上，然后關閉爐蓋，并用保溫材料蓋住激光入孔8。打開氣流計閥門16，通過氣體輸送管通入保護氣體N2 將爐體內(nèi)的空氣排除；氣體流速通過氣體流量計12調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)溫控器13設定加熱功率和加熱溫度，通過對發(fā)熱體通入電流使其發(fā)熱，對在它上表面的加熱板3進行加熱并同時輻射加熱試樣9，當加熱板3加熱到設定溫度，由控溫系統(tǒng)13自動調(diào)節(jié)加熱電流，實現(xiàn)對加熱板及試樣的保溫，保溫一定時間，使試樣9溫度與加熱板3溫度一致。然后開始從激光打入孔8通入激光束11，設定激光的功率，掃描速度，光斑直徑，鋪粉厚度和寬度對粉末進行水平方向的掃描熔化并進行激光熔覆成形。實施例三本實施例是一種用于加熱含有疲勞裂紋的鎳基高溫合金葉片材料并進行修復的激光快速成形表面氣氛加熱爐。試樣尺寸為80mmX30mmX25mm。本實施例包括發(fā)熱體1、熱電偶2、碳化硅再結晶的加熱板3、進氣管4、爐體5、觀察窗6、爐蓋7、激光入孔8、試樣9、激光器10、光束11、氣體流量計12、溫控器13、爐體電源線14、外接電源線15、氣流計閥門16和試樣墊板17。其中，爐體5為長方形殼體。加熱板 3位于爐體5內(nèi)，并置于試樣墊板17和用硅碳棒制作的發(fā)熱體1之間。在爐體一端的殼體上開有一直徑7mm的通孔，用于安裝熱電偶；所述熱電偶通孔的中心與加熱板厚度的中心位于同一水平面，并且熱電偶與加熱板3的端面相對應。熱電偶2 —端從該通孔插入碳化硅再結晶的加熱板3內(nèi)，另一端通過爐體電源線14與位于爐體外的溫控器13相連接。硅碳棒的發(fā)熱體1位于加熱爐爐腔內(nèi)底部，該發(fā)熱體1的一端穿過爐壁與位于爐體外的溫控器13連接。2根外接電源線15分別與溫控器13的正負端口連接。激光器10位于爐體5 上方，并與爐蓋7中心的激光打入孔8對應。2根進氣管4的一端分別對稱的從爐體5長度方向的兩側穿過爐體壁，插入爐體5 內(nèi)，位于試樣9的上表面處并與試樣9的上表面之間有4mm的間距；2根進氣管4的另一端分別通過氣體流量計12與氣源連接。在爐體5 —端的側壁上開有一貫通爐體5的長方形觀察窗6，并且該觀察窗6的下表面高于粉末試樣9上表面2. 5mm處。爐體頂部一側安裝有活動的爐蓋7，該爐蓋7能夠沿爐體長度方向自由推拉；所述爐蓋7的寬度為爐體5側壁厚與爐體內(nèi)腔之和；在爐蓋7 的中心處開有一尺寸為IOOmmX40mmX 20mm的長方形激光打入孔8。加熱板3為長方形板，采用再結晶的碳化硅制作。在加熱板3—個端面中間有沿該加熱板3長度方向分布的熱電偶插孔。所述的熱電偶插孔的孔徑與熱電偶2的外徑相同。試樣墊板17為45號不銹鋼。試樣墊板17為矩形板，其外形尺寸略大于試樣9。 試樣墊板17被置于加熱板3上表面。試樣9置于試樣墊板17上表面；試樣9的中心與激光打入孔8的中心對應。使用時，先通過拉手7拉開爐蓋，將試樣9放在試樣墊板17上，然后關閉爐蓋，并用保溫材料蓋住激光入孔8。打開氣流計閥門16，通過氣體輸送管通入保護氣體隊將爐體內(nèi)的空氣排除；氣體流速通過氣體流量計12調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)溫控器13設定加熱功率和加熱溫度，通過對發(fā)熱體通入電流使其發(fā)熱，對在它上表面的加熱板3進行加熱并同時輻射加熱試樣9，當加熱板3加熱到設定溫度，由控溫系統(tǒng)13自動調(diào)節(jié)加熱電流，實現(xiàn)對加熱板及試樣的保溫，保溫一定時間，使試樣9溫度與加熱板3溫度一致。然后開始從激光打入孔8通入激光束11，并設定激光的功率，掃描速度，光斑直徑對合金葉片材料有裂紋的局部進行激光修復。
權利要求
1.一種激光快速成形表面氣氛加熱爐，包括發(fā)熱體(1)、熱電偶O)、爐體(5)、激光器 (10)、氣體流量計(12)和溫控器(13)；其特征在于，還包括加熱板(3)和2根進氣管(4)； 其中，加熱板(3)位于爐體(5)內(nèi)，并置于試樣墊板(17)和硅碳棒發(fā)熱體(1)之間；在加熱板C3) —個端面中間有沿該加熱板C3)長度方向分布的熱電偶插孔；所述的熱電偶插孔的孔徑與熱電偶⑵的外徑相同；熱電偶⑵插入加熱板⑶內(nèi)；發(fā)熱體⑴位于加熱爐爐腔內(nèi)底部，該發(fā)熱體(1)的一端穿過爐壁與位于爐體外的溫控器(13)連接；2根進氣管(4) 的一端分別從爐體(5)的兩側穿過爐體壁，插入爐體(5)內(nèi)，位于試樣(9)的上表面處并與試樣(9)的上表面之間有3 5mm的間距，2根進氣管的另一端分別通過氣體流量計 (12)與氣源連接；爐體(5)的一側有爐蓋(7)，該爐蓋(7)的寬度為爐體(5)該側壁厚與爐體內(nèi)腔之和；在爐蓋(7)的中心有激光打入孔(8)；加熱板(3)為長方形板，采用再結晶的碳化硅制作；激光器(10)位于爐體(5)上方，并與爐蓋(7)中心的激光打入孔(8)對應。
2.如權利要求1所述一種激光快速成形表面氣氛加熱爐，其特征在于，在爐體(5)—端的爐壁上有觀察窗(6)，并且該觀察窗(6)下表面高于試樣(9)上表面2 3mm。
全文摘要
一種激光快速成形表面氣氛加熱爐，加熱板位于爐體內(nèi)，并置于試樣墊板和硅碳棒發(fā)熱體之間。熱電偶插入加熱板內(nèi)。發(fā)熱體位于加熱爐爐腔內(nèi)底部，并與爐體外的溫控器連接。2根進氣管的一端與試樣的上表面之間有3～5mm的間距，另一端分別與氣源連接。爐體的一側有活動爐蓋。在爐蓋的中心有激光打入孔。本發(fā)明能夠快速均勻預熱并熔化高熔點材料，降低材料激光快速成形過程中成形材料與周圍環(huán)境的溫差和材料內(nèi)部的熱應力，并完全消除裂紋，獲得表面光滑、無裂紋、100％致密的Al2O3基復合陶瓷。本發(fā)明在加熱和熔化的同時能夠從兩路向爐內(nèi)通入惰性保護氣體，消除了熔體快速凝固時內(nèi)部產(chǎn)生的氣孔，提高了材料的致密性。
文檔編號F27B17/02GK102322738SQ20111016330
公開日2012年1月18日 申請日期2011年6月16日 優(yōu)先權日2011年6月16日
發(fā)明者于建政, 傅恒志, 劉林, 張軍, 蘇海軍 申請人:西北工業(yè)大學