低成本激光选区熔化用陶瓷粉末制备及其离焦成形方法

833 编辑：中冶有色技术网来源：南京理工大学

2023-12-06 13:47:26

权利要求书： 1.一种低成本激光选区熔化用陶瓷粉末制备及其离焦成形方法，其特征在于：包括以下步骤：（a）准备陶瓷材料的粉末或粉末混合物，其中包括设计粉末或粉末混合物的尺寸及粉末混合物的组分；

（b）CAD模型的设计导入及切层；

（c）使用辊子对制备好的陶瓷材料的粉末或粉末混合物进行铺粉和压粉工序，得到粉层胚体；

（d）控制成形缸升降，将粉层胚体置于离焦状态；

（e）通过熔化热源将所述粉层胚体的特定区域加热至最高温度，熔化冷却后凝固致密一体化；

（f）判断所有切层是否完成，否，则进入步骤（c），是，则进入步骤（g）；

（g）回收粉末原料，取出成形件；

步骤（a）中陶瓷材料的粉末或粉末混合物的准备包括如下步骤：A1、原料设计：选择单一陶瓷粉末或复合陶瓷粉末原料，所述原料的粒度中位径D50的范围为0.5 50μm；

~

A2、湿法球磨混粉：选择酒精为媒介，将原料按球料比3:1 6:1置于氧化锆球磨罐中，磨~球材质为氧化铝，直径为2 10mm，在100 200r/min的转速下，球磨2 4h；

~ ~ ~

A3、干燥：对球磨后收集的粉末浆料从球磨罐中与磨球分离，在真空干燥箱中以80 110~℃干燥3 6h，干燥箱气压为5000 10000Pa；

~ ~

A4、筛粉：使用300目筛网对干燥后的粉末进行筛分后得到粉末混合物，其中，所述的粉末粒度范围为0 55μm；

~

A5、调节通透性：将筛分后的粉末置于惰性气体保护条件下进行退火处理，加热温度为

700 1000℃，保温时间0.5 72h，保温后空冷，惰性气体为氩气；

~ ~

所述步骤（e）中，熔化热源为电弧、等离子体或电子束；所述熔化热源为激光束时，激光器输出为连续激光或超快脉冲激光，其中，连续激光波长为400 1080nm，激光功率为20~ ~

200W，超快激光波长为1028nm，脉宽为1 1000ps，脉冲频率为1 500KHz，每个脉冲能量为2~ ~ ~

100μJ，振镜扫描速度为20 400mm/s；基板预热温度为100 1200℃，成形密封舱体内温度保~ ~持在28℃。

2.根据权利要求1所述的低成本激光选区熔化用陶瓷粉末制备及其离焦成形方法，其特征在于：步骤（a）中的陶瓷粉末是单一陶瓷粉末或复合陶瓷粉末，所述的单一陶瓷粉末纯度≥99wt%；所述的复合陶瓷粉末为Al2O3、Y2O3、La2O3、Gd2O3、Er2O3、Eu2O3、CaO、MgO、CuO、CeO2、TiO2、SiO2、ZrO2、SiC、TiC、Ti2AlC3、Ti2SiC3中的两种以上的混合。

3.根据权利要求1所述的低成本激光选区熔化用陶瓷粉末制备及其离焦成形方法，其特征在于：所述步骤（b）中切层厚度为25 60μm，扫描策略包括岛形、之字形或单向线性扫~描。

4.根据权利要求1所述的低成本激光选区熔化用陶瓷粉末制备及其离焦成形方法，其特征在于：所述步骤（c）中铺粉和压粉工艺包括如下步骤：C1、基板选择：以高纯烧制陶瓷板作为基板材料固定于成形缸，基板致密度为60~

99.9%；

C2、送粉：将原料装入粉料缸，送入成形缸；

C3、铺粉工艺：控制成形缸升降，调整粉层厚度，铺粉时开启辊子选转；其中粉层厚度为

2 6个切层厚度，辊子旋转方向与铺粉方向保持一致；

~

C4、压粉工艺：上升基板，调整铺粉层底部与辊子的相对位置，间距为单个CAD零部件模型切层厚度并压粉，压粉过程中开启辊子旋转，辊子旋转方向与压粉方向相反。

5.根据权利要求1所述的低成本激光选区熔化用陶瓷粉末制备及其离焦成形方法，其特征在于：所述步骤（d）中激光加工平面为离焦状态，其中，取向选择为正向离焦或负向离焦，离焦量的取值范围为0 5mm，通过升降成形缸对离焦取向和离焦量进行控制。

~

6.根据权利要求1所述的低成本激光选区熔化用陶瓷粉末制备及其离焦成形方法，其特征在于：所述熔化热源为电弧、等离子体时，粉末的铺设和扫描操作环境氧气含量为0~

1000ppm，其余为惰性气体；所述熔化热源为电子束时，粉末的铺设和扫描操作环境为真空环境。

说明书：一种低成本激光选区熔化用陶瓷粉末制备及其离焦成形方法技术领域[0001] 本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种低成本激光选区熔化(SelectiveLaserMelting,SLM)用陶瓷粉末制备及其离焦成形方法。背景技术[0002] 陶瓷及陶瓷基复合材料具有质量轻、耐高温、低热导、绝缘性和化学稳定性等优良性质，在航空航天、电子器件、生物医疗及建筑建材等领域获得广泛应用。陶瓷增材制造技术是一种先进的新兴制造技术，具有客制化定制、高设计自由度以及绿色环保等优势，能够实现复杂结构陶瓷部件的快速设计，获得了广泛关注和快速发展，有望推动陶瓷材料制造与应用技术的新一轮技术变革。[0003] 陶瓷激光选区熔化技术(SLM)利用高能量激光束逐层选择性熔化陶瓷粉末，通过逐层铺粉，逐层融化凝固堆积的方式，制造三维实体复杂零部件，该技术突破了传统制造工艺的去除成形思路，无需任何模具和脱脂烧结过程，直接成形，是制造效率最高、最具发展潜力的直接增材制造技术。[0004] 现阶段陶瓷SLM一般使用橡胶刮刀铺粉，为得到均匀的陶瓷粉层，对所使用的原料粉末要求较高，需要陶瓷粉体具有较高的球形度、流动性、纯度和较窄的粒度分布范围等等。目前，国内外有关SLM陶瓷的研究报道均采用雾化造粒法产生的球形粉末为原料，然而这种陶瓷球形粉末制备是通过粘结剂将很多小颗粒团聚在一起，粉体纯度低且制备成本高；另外陶瓷材料对应力和裂纹敏感，激光束辐照引起熔池区域产生高温度梯度，使得成形件在激热激冷的过程中反复受到热冲击并产生裂纹，就有了成形件性能不好的隐患，现阶段通过高温预热的方法不仅对设备要求高，工艺复杂，效率极低且不能完全抑制裂纹，限制了该技术的研究发展。发明内容[0005] 为解决现有技术中存在的问题，本发明提供的一种低成本激光选区熔化用陶瓷粉末制备及其离焦成形方法，充分利用低成本的不规则陶瓷粉末的吸光性和透光性、结合离焦打印方法优化了熔池的温度场分布，减小了温度梯度，有效降低了加工成本和门槛，抑制了缺陷的产生，提高了成形效率和质量。[0006] 为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：[0007] 一种低成本激光选区熔化用陶瓷粉末制备及其离焦成形方法，包括以下步骤：[0008] (a)准备陶瓷材料的粉末或粉末混合物，其中包括设计粉末或粉末混合物的尺寸及粉末混合物的组分；[0009] (b)CAD模型的设计导入及切层；[0010] (c)使用辊子对制备好的陶瓷材料的粉末或粉末混合物进行铺粉和压粉工序，得到粉层胚体；[0011] (d)控制成形缸升降，将粉层胚体置于离焦状态；[0012] (e)通过熔化热源将所述粉层胚体的特定区域加热至最高温度，熔化冷却后凝固致密一体化；[0013] (f)判断所有切层是否完成，否，则进入步骤(c)，是，则进入步骤(g)；[0014] (g)回收粉末原料，取出成形件。[0015] 其中，步骤(a)中陶瓷材料的粉末或粉末混合物的准备包括如下步骤：[0016] A1、原料设计：选择单一陶瓷粉末或复合陶瓷粉末原料，所述原料的粒度中位径D50的范围为0.5～50μm；[0017] A2、湿法球磨混粉：选择酒精为媒介，将原料按球料比3:1～6:1置于氧化锆球磨罐中，磨球材质为氧化铝，直径为2～10mm，在100～200r/min的转速下，球磨2～4h；[0018] A3、干燥：对球磨后收集的粉末浆料从球磨罐中与磨球分离，在真空干燥箱中以80～110℃干燥3～6h，干燥箱气压为5000～10000Pa；[0019] A4、筛粉：使用300目筛网对干燥后的粉末进行筛分后得到粉末混合物，其中，所述的粉末粒度范围为0～55μm；[0020] A5、调节通透性：将筛分后的粉末置于惰性气体保护条件下进行退火处理，加热温度为700～1000℃，保温时间0.5～72h，保温后空冷，惰性气体为氩气。[0021] 步骤(a)中的陶瓷粉末是单一陶瓷粉末或复合陶瓷粉末，所述的单一陶瓷粉末纯度≥99wt％；所述的复合陶瓷粉末为Al2O3、Y2O3、La2O3、Gd2O3、Er2O3、Eu2O3、CaO、MgO、CuO、CeO2、TiO2、SiO2、ZrO2、SiC、TiC、Ti2AlC3、Ti2SiC3中的两种以上的混合。[0022] 所述步骤(b)中切层厚度为25～60μm，扫描策略包括岛形、之字形或单向线性扫描。[0023] 所述步骤(c)中铺粉和压粉工艺包括如下步骤：[0024] C1、基板选择：以高纯烧制陶瓷板作为基板材料固定于成形缸，基板致密度为60～99.9％；

[0025] C2、送粉：将原料装入粉料缸，送入成形缸；[0026] C3、铺粉工艺：控制成形缸升降，调整粉层厚度，铺粉时开启辊子选转；其中粉层厚度为2～6个切层厚度，辊子旋转方向与铺粉方向保持一致；[0027] C4、压粉工艺：上升基板，调整铺粉层底部与辊子的相对位置，间距为单个CAD零部件模型切层厚度并压粉，压粉过程中开启辊子旋转，辊子旋转方向与压粉方向相反。[0028] 所述步骤(d)中激光加工平面为离焦状态，其中，取向选择为正向离焦或负向离焦，离焦量的取值范围为0～5mm，通过升降成形缸对离焦取向和离焦量进行控制。[0029] 所述步骤(e)中，熔化热源为电弧、等离子体或电子束。[0030] 所述熔化热源为激光束时，激光器输出为连续激光或超快脉冲激光，其中，连续激光波长为400～1080nm，激光功率为20～200W，超快激光波长为1028nm，脉宽为1～1000ps，脉冲频率为1～500KHz，每个脉冲能量为2～100μJ，振镜扫描速度为20～400mm/s。[0031] 基板预热温度为100～1200℃，成形密封舱体内温度保持在28℃。[0032] 所述熔化热源为电弧、等离子体时，粉末的铺设和扫描操作环境氧气含量为0～1000ppm，其余为惰性气体；所述熔化热源为电子束时，粉末的铺设和扫描操作环境为真空环境。

[0033] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：[0034] (1)本发明充分利用了低成本的不规则陶瓷粉末，原料成本低、利用率高及适用原始材料种类不受限制，粉末混合制备工艺简单，操作方便，成本低廉；创新地引入退火工艺，通过对陶瓷粉末中晶体结构内点缺陷浓度的调节，实现了对陶瓷粉末通透性的控制，制备出高通透性、低散射率的陶瓷粉末，有利于优化熔池温度场均匀分布，减小温度梯度，从而抑制缺陷的产生。[0035] (2)本发明的铺粉压粉工艺充分利用了不规则小尺寸粉末蓬松、高表面能从而可压实且晶体取向各异性的特点，将辊子替代橡胶刮刀，既减少了铺粉对粉末球形度苛刻条件的依赖作用，提升了铺粉粉层的均匀平整度，也极大的提升了铺粉胚体的堆积密度和内聚力，有效的遏制了粉末飞溅，使得粉末与激光的耦合作用效率和稳定性得到提升；[0036] (3)本发明利用陶瓷粉末具有一定透明度的性质，采用离焦的激光选区熔化工艺方法，降低了低热导率对粉末胚体吸收激光的限制作用，有效降低了粉末表面的过热，使得粉末在三维空间内受热更加均匀，利用了离焦大光斑的预热作用，进而实现多种陶瓷材料粉末的激光选区熔化稳定成形，形成超细贝壳组织的制备；[0037] (4)本发明通过调整超快脉冲激光重复频率区间控制相互作用机制为融化机制，利用超快脉冲激光与陶瓷材料相互作用的非线性多光子吸收效应，加热过程具有热吸收效率高、热影响区域小等优势，在不损伤基材的前提下可以实现无裂纹陶瓷复杂部件的成形。附图说明[0038] 图1为本发明中方法的流程图。[0039] 图2为采用本发明压粉离焦工艺制备高通透Al2O3?ZrO2共晶陶瓷成形件示意图。[0040] 图3为采用本发明压粉离焦工艺制备高通透Al2O3?ZrO2共晶陶瓷成形件微观组织示意图。[0041] 图4为采用本发明离焦工艺制备高通透Al2O3?ZrO2共晶陶瓷成形件微观组织示意图。[0042] 图5为采用本发明压粉工艺制备高通透Al2O3?ZrO2共晶陶瓷成形件微观组织示意图。[0043] 图6为采用本发明压粉离焦工艺制备低通透Al2O3?ZrO2共晶陶瓷成形件微观组织示意图。具体实施方式[0044] 下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。以下实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。[0045] 实施例1[0046] 结合图1所示，具体制备过程为：[0047] 选用纯度为99.5％的氧化铝和氧化锆为原料粉末进行尺寸8×8×8mm的小方块的选区激光熔化制备。氧化铝粉末粒度中值为0.78μm、粉末呈现不规则的片状；氧化锆粉末粒度中值为1μm、粉末呈现不规则多面体状。选取氧化铝氧化锆质量比为61.5:38.5，选取氧化铝磨球使得球料质量比为3:1，并以酒精为媒介在200r/min下混合均匀，取高能球磨得到的陶瓷浆料在100℃、10KPa的环境下干燥2小时后进行筛粉，将筛分后粉末置于氩气气氛下进行退火处理，加热温度为700℃，保温时间72h，保温后空冷。选取99.9％致密度的烧制氧化铝板作为小方块激光选区熔化加工的基板。将模型切层，设置扫描路径间距为75μm，层厚为50μm，接着将退火处理后得到的陶瓷粉末装入粉料缸中，并将成形室内部冲入氩气作为保护气，使得氧含量降为10ppm。控制基板由焦平面下降150μm，即使得氧含铝基板与辊子间距为150μm，接着注入粉末，利用辊子将粉末从右往左均匀的铺覆到整个成形基板的上面，得到均匀的陶瓷铺粉层，其中粉末层厚度为150μm，铺粉时调整辊子旋转方向与铺粉方向一致。控制基板上升100μm，保持辊子旋转方向不变，切换辊子运动方向，利用辊子卷粉作用将粉末从左往右均匀的压覆到整个成形基板的上面，得到均匀致密的陶瓷压粉层，其中粉末层厚度为50μm。控制基板上升3mm，采用波长为1070nm的红外连续激光作为能量源，设置激光的主要参数为：功率100W，扫描速度为90mm/s，扫描模式为之字形，对离焦后的压粉层进行扫描处理，使其熔化后冷凝固结为固态层。重复步骤(c)～(d)，进行逐层的粉末铺设操作和激光扫描操作，直至完成尺寸为8×8×8mm的小方块的选区激光熔化制备，最终获得如图

2和图3所示的成形件。

[0048] 另外，在本实施例中，虽然第一热源选用了连续激光作为热源，但是，在其他实施例中，也可以选用其他热源作为第一热源进行粉末层的第一次熔化成形扫描处理，例如超快脉冲激光、电弧、等离子体或电子束，特别的，在选用电子束作为热源时，需保证铺粉和扫描的环境为真空环境，选用电弧或等离子体作为热源时，需保证铺粉和扫描的环境为惰性气氛环境。[0049] 优选的，在本实施例中，为了保证粉末熔化凝固成形质量，需要避免超快脉冲激光与陶瓷材料相互作用的非线性效应而产生烧蚀、等离子体或气化等机制，因此需控制脉冲激光参数在低能量和高重复频率区间内，相互作用为热效应融化机制，从而提高成形件最终的质量。[0050] 对比例1[0051] 采用与实施例1相同的方法对氧化铝氧化锆共晶陶瓷进行8×8×8mm的小方块的选区激光熔化制备，其区别仅在于：未实施步骤(c)的铺粉压粉工序，直接铺粉得到致密度低的粉层，并最终获得如图4所示表面形貌的成形件。实施例1由于压粉工艺，粉层均匀平整，铺粉胚体的堆积密度和内聚力得到提升，有效的遏制了粉末飞溅，使得粉末与激光的耦合作用效率和稳定性得到提升，因此试件中裂纹得到抑制，熔道更加稳定均匀。[0052] 对比例2[0053] 采用与实施例1相同的方法对氧化铝氧化锆共晶陶瓷进行8×8×8mm的小方块的选区激光熔化制备，其区别仅在于：未实施步骤(d)的离焦工序，而是使用连续红外激光直接定焦熔化，并最终获得如图5所示表面形貌的成形件。实施例1由于离焦工艺，降低了低热导率对粉末胚体吸收激光的限制作用，有效降低了粉末表面的过热，抑制了飞溅的同时使得粉末在三维空间内受热更加均匀，利用了离焦大光斑的预热作用，实现了裂纹抑制和熔道稳定。[0054] 对比例3[0055] 采用与实施例1相同的方法对氧化铝氧化锆共晶陶瓷进行8×8×8mm的小方块的选区激光熔化制备，其区别仅在于：未实施步骤(a)的粉末退火处理工艺，仅使用低通透性的筛分后陶瓷粉末，连续红外激光单能量源离焦成形，并最终获得如图6所示表面形貌的成形件。实施例1由于施加72小时700℃的退火处理，降低氧化铝氧化锆粉末中晶体氧缺位的浓度，提升粉末的通透性，有利于优化熔池温度场均匀分布，减小温度梯度，从而抑制缺陷的产生。[0056] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。