氧化铝陶瓷激光直接沉积的熔池温度与成形缺陷研究
发布时间：2020-09-24 14:43
激光直接沉积技术可以实现氧化铝陶瓷粉末快速无模成形,生产周期短,制造工艺简单,但陶瓷成形件的成形缺陷严重制约着该技术的发展。本文首先基于工艺参数研究沉积过程的熔池温度特性,然后对熔池温度与成形件的表面尺寸缺陷、孔隙缺陷和裂纹缺陷等成形缺陷的相关性进行分析,最后通过调控熔池温度为实现氧化铝陶瓷的高质量成形提供理论支持。在不同工艺参数条件下利用比色高温计实时监测单层成形件成形过程的熔池温度,发现送粉速率、扫描速度和光斑直径分别与熔池温度呈负相关,激光功率与熔池温度呈正线性相关,通过改变激光功率可以快速准确地调节熔池温度。测量单层成形件的宽度和厚度后发现:单层成形件的宽度与光斑直径和熔池温度有关,光斑直径越小宽度越小,熔池温度越低宽度越小;单层成形件的厚度与熔池温度和粉末质量密度有关,熔池温度越低厚度越大,粉末质量密度越大厚度越大,且截面外形由圆弧形变为圆形;成形过程加速阶段的热累积导致单层成形件起始端的宽度和厚度较大,致使单层成形件宽度和厚度不均匀。多层薄壁件是单层成形件以单层提升量向上逐层堆积而成,单层成形件的表面尺寸缺陷会导致薄壁件两端与中间出现高度偏差。熔池温度较低时,薄壁件呈现中间低两端高的外形;熔池温度较高时,薄壁件呈现中间高两端低的外形。利用比色高温计、sbRIO-9627嵌入式控制器以及LabVIEW软件搭建熔池温度PID闭环控制系统,然后在控制过程中手动整定PID参数获得最优的PID参数。最优的参数为:比例系数为2.1,积分时间常数为1,微分时间常数为0。熔池温度设定为2640℃时通过熔池温度控制薄壁件的中间高两端低的外形得到改善。利用光学显微镜观察发现薄壁件内部孔隙分为层内气孔、层间孔隙和顶层缩孔。孔隙缺陷以层内气孔为主,主要来源于卷入熔池表面的送粉气体、保护气体以及粉末制备时粉末颗粒内部的残留气体。通过减小送粉气体流量抑制气体来源和适当提高熔池温度加快气体逸出,孔隙缺陷减少,孔隙率最小可达到1.4%左右。薄壁件表面有宏观裂纹并通过切割后发现内部有宏观裂纹和微裂纹,随着熔池温度提高薄壁件内部的热应力得到释放,裂纹缺陷减少。论文通过分析熔池温度与成形缺陷的相关性,发现熔池温度控制可以有效减少成形缺陷,对激光直接沉积高质量氧化铝陶瓷具有重要的理论意义和应用价值。
【学位单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN249;TQ174.6
【部分图文】：
逡逑图１．１陶瓷传统制备技术逡逑陶瓷间接成形逦逦逡逑逦邋「丨二二－二二二－丨——？邋￣￣逡逑陶瓷粉体制备一ｒｉ—邋陶瓷坯体３Ｄ成型邋一＊？烧结」■［－—后处理一＾成品逡逑逦ｒｕ：邋＿邋二二－ＣＴＵｒｊｍ邋——１＿＿逡逑—？陶瓷激光直接成形—逡逑图１．２陶瓷先进制备技术逡逑表１．１常见的陶瓷增材制造技术介绍逡逑陶瓷增材制造技术成形方法逦特点逡逑分层实体制造技术逦激光功率小，可加工尺寸较大的实体，无需支撑；难以成逡逑间接成形逡逑（ＬＯＭ）逦形复杂结构的实体逡逑陶瓷熔融沉积技术逦无需激光，工艺简单，操作安全；材料利用率高；成形速逡逑间接成形逡逑（ＦＤＣ）逦度慢，需支撑，精度较低，难以成形复杂结构的实体逡逑选区激光烧结技术逦激光功率小，无需支撑，可成形复杂结构的实体；表面质逡逑间接成形逡逑（ＳＬＳ）逦量较差逡逑三维打印技术逦无需激光，操作安全，精度较高；工艺复杂，成形时间较逡逑间接成形逡逑（３ＤＰ）逦长逡逑激光直接材料沉积激光直接激光功率大，操作危险，工作环境差；成形零件致密度较逡逑技术（ＤＭＤ）逦成形逦高，性能较好，成形速度快；成形精度较低，热应力较大逡逑激光近净成形技术激光直接激光功率大
分层模型所获得的数据，制造过程中激光将单面涂有热熔胶的陶瓷薄膜按轨迹切逡逑割，再通过热压辊将切割后的薄膜加热加压使其与下面的已切割层粘结在一起，逡逑随后依次通过逐层切割和粘合最终形成预定形状的陶瓷坯体，其原理如图１．３所示。逡逑通过热粘结成形的陶瓷陶瓷坯体一般强度很低，后续需去除坯体内的粘结剂和进逡逑行烧结后处理。逡逑光学器件逦，器逡逑＼逦人逡逑ｗ邋定位逡逑逦逦逦逡逑十宇形的逡逑图层轮悉逦逦逦逦邋■逡逑平台■一＇一逡逑图１．３分层实体制造技术原理图［１４１逡逑陶瓷溶融沉积技术［１６＇Ｉ９］邋（Ｆｕｓｅｄ邋ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｃｅｒａｍｉｃｓ，简称ＦＤＣ）基于溶融沉逡逑积成型技术（Ｆｕｓｅｄ邋Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ邋Ｍｏｄｅｌｉｎｇ，简称ＦＤＭ），采用的原料为陶瓷粉末和有逡逑机黏结剂混合制备的丝状材料，沉积过程中热熔喷头按ＣＡＤ分层数据控制的轨迹逡逑移动，移动过程中热熔喷头将陶瓷丝料挤出并熔化后沉积在预定的位置上凝固，逡逑如此逐层沉积获得特定形状的陶瓷生坯，其原理如图１．４所示。陶瓷熔融沉积过程逡逑中热熔喷头没有施加成型压力
分层模型所获得的数据，制造过程中激光将单面涂有热熔胶的陶瓷薄膜按轨迹切逡逑割，再通过热压辊将切割后的薄膜加热加压使其与下面的已切割层粘结在一起，逡逑随后依次通过逐层切割和粘合最终形成预定形状的陶瓷坯体，其原理如图１．３所示。逡逑通过热粘结成形的陶瓷陶瓷坯体一般强度很低，后续需去除坯体内的粘结剂和进逡逑行烧结后处理。逡逑光学器件逦，器逡逑＼逦人逡逑ｗ邋定位逡逑逦逦逦逡逑十宇形的逡逑图层轮悉逦逦逦逦邋■逡逑平台■一＇一逡逑图１．３分层实体制造技术原理图［１４１逡逑陶瓷溶融沉积技术［１６＇Ｉ９］邋（Ｆｕｓｅｄ邋ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｃｅｒａｍｉｃｓ，简称ＦＤＣ）基于溶融沉逡逑积成型技术（Ｆｕｓｅｄ邋Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ邋Ｍｏｄｅｌｉｎｇ，简称ＦＤＭ），采用的原料为陶瓷粉末和有逡逑机黏结剂混合制备的丝状材料，沉积过程中热熔喷头按ＣＡＤ分层数据控制的轨迹逡逑移动，移动过程中热熔喷头将陶瓷丝料挤出并熔化后沉积在预定的位置上凝固，逡逑如此逐层沉积获得特定形状的陶瓷生坯，其原理如图１．４所示。陶瓷熔融沉积过程逡逑中热熔喷头没有施加成型压力
【学位单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN249;TQ174.6
【部分图文】：
逡逑图１．１陶瓷传统制备技术逡逑陶瓷间接成形逦逦逡逑逦邋「丨二二－二二二－丨——？邋￣￣逡逑陶瓷粉体制备一ｒｉ—邋陶瓷坯体３Ｄ成型邋一＊？烧结」■［－—后处理一＾成品逡逑逦ｒｕ：邋＿邋二二－ＣＴＵｒｊｍ邋——１＿＿逡逑—？陶瓷激光直接成形—逡逑图１．２陶瓷先进制备技术逡逑表１．１常见的陶瓷增材制造技术介绍逡逑陶瓷增材制造技术成形方法逦特点逡逑分层实体制造技术逦激光功率小，可加工尺寸较大的实体，无需支撑；难以成逡逑间接成形逡逑（ＬＯＭ）逦形复杂结构的实体逡逑陶瓷熔融沉积技术逦无需激光，工艺简单，操作安全；材料利用率高；成形速逡逑间接成形逡逑（ＦＤＣ）逦度慢，需支撑，精度较低，难以成形复杂结构的实体逡逑选区激光烧结技术逦激光功率小，无需支撑，可成形复杂结构的实体；表面质逡逑间接成形逡逑（ＳＬＳ）逦量较差逡逑三维打印技术逦无需激光，操作安全，精度较高；工艺复杂，成形时间较逡逑间接成形逡逑（３ＤＰ）逦长逡逑激光直接材料沉积激光直接激光功率大，操作危险，工作环境差；成形零件致密度较逡逑技术（ＤＭＤ）逦成形逦高，性能较好，成形速度快；成形精度较低，热应力较大逡逑激光近净成形技术激光直接激光功率大
分层模型所获得的数据，制造过程中激光将单面涂有热熔胶的陶瓷薄膜按轨迹切逡逑割，再通过热压辊将切割后的薄膜加热加压使其与下面的已切割层粘结在一起，逡逑随后依次通过逐层切割和粘合最终形成预定形状的陶瓷坯体，其原理如图１．３所示。逡逑通过热粘结成形的陶瓷陶瓷坯体一般强度很低，后续需去除坯体内的粘结剂和进逡逑行烧结后处理。逡逑光学器件逦，器逡逑＼逦人逡逑ｗ邋定位逡逑逦逦逦逡逑十宇形的逡逑图层轮悉逦逦逦逦邋■逡逑平台■一＇一逡逑图１．３分层实体制造技术原理图［１４１逡逑陶瓷溶融沉积技术［１６＇Ｉ９］邋（Ｆｕｓｅｄ邋ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｃｅｒａｍｉｃｓ，简称ＦＤＣ）基于溶融沉逡逑积成型技术（Ｆｕｓｅｄ邋Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ邋Ｍｏｄｅｌｉｎｇ，简称ＦＤＭ），采用的原料为陶瓷粉末和有逡逑机黏结剂混合制备的丝状材料，沉积过程中热熔喷头按ＣＡＤ分层数据控制的轨迹逡逑移动，移动过程中热熔喷头将陶瓷丝料挤出并熔化后沉积在预定的位置上凝固，逡逑如此逐层沉积获得特定形状的陶瓷生坯，其原理如图１．４所示。陶瓷熔融沉积过程逡逑中热熔喷头没有施加成型压力
分层模型所获得的数据，制造过程中激光将单面涂有热熔胶的陶瓷薄膜按轨迹切逡逑割，再通过热压辊将切割后的薄膜加热加压使其与下面的已切割层粘结在一起，逡逑随后依次通过逐层切割和粘合最终形成预定形状的陶瓷坯体，其原理如图１．３所示。逡逑通过热粘结成形的陶瓷陶瓷坯体一般强度很低，后续需去除坯体内的粘结剂和进逡逑行烧结后处理。逡逑光学器件逦，器逡逑＼逦人逡逑ｗ邋定位逡逑逦逦逦逡逑十宇形的逡逑图层轮悉逦逦逦逦邋■逡逑平台■一＇一逡逑图１．３分层实体制造技术原理图［１４１逡逑陶瓷溶融沉积技术［１６＇Ｉ９］邋（Ｆｕｓｅｄ邋ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｃｅｒａｍｉｃｓ，简称ＦＤＣ）基于溶融沉逡逑积成型技术（Ｆｕｓｅｄ邋Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ邋Ｍｏｄｅｌｉｎｇ，简称ＦＤＭ），采用的原料为陶瓷粉末和有逡逑机黏结剂混合制备的丝状材料，沉积过程中热熔喷头按ＣＡＤ分层数据控制的轨迹逡逑移动，移动过程中热熔喷头将陶瓷丝料挤出并熔化后沉积在预定的位置上凝固，逡逑如此逐层沉积获得特定形状的陶瓷生坯，其原理如图１．４所示。陶瓷熔融沉积过程逡逑中热熔喷头没有施加成型压力
【参考文献】
相关期刊论文 前10条
1 牛方勇;吴东江;石龙飞;马广义;张W毨
本文编号：2825857
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