氧化物陶瓷材料激光选区熔化成形机理与试验研究
发布时间：2022-01-13 01:58
陶瓷材料因其性能优异具有广阔的应用前景,然而传统的陶瓷加工方式难以快速制造个性化、轻量化和复杂化的产品,限制了其在航空、航天、兵器等领域的应用。激光选区熔化（Selective Laser Melting,SLM）技术作为一种重要的增材制造技术,基于完全熔化机制,直接成形,加工效率高,可以弥补和克服传统陶瓷加工方式的不足,有望推动其在航空、航天、兵器等领域的应用。本论文以建立熔池特性与微观组织结构、缺陷的关联关系和获得缺陷、凝固组织结构的形成机理为目标,从熔池的角度出发,开展了陶瓷SLM设备及熔池监控系统设计、成形工艺研究、缺陷及形成机理和凝固组织及形成机理四个方面的研究,主要工作如下:（1）研究了无粘结剂陶瓷浆料SLM成形工艺路线,分析了工艺参数对成形件表面形貌的影响规律,解释了粉末飞溅机理,基于贝纳德-马兰戈尼对流理论,阐明了 A1203成形件表面条状和指状凝固形成机理,建立了贝纳德模型与工艺参数的关联关系图。分析认为高温水蒸气与环境间的压力差会抑制粉末飞溅;扫描速度为60mm/s～120mm/s,激光功率为140W～200W工艺区间内会发生条状对流。工艺优化结果表明,当激光功率2...
【文章来源】：南京理工大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：131 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１传统陶瓷生产工艺流程??
陶瓷是一种无机非金属材料，按原料特征分为普通陶瓷和特种陶瓷ｍ。特种陶瓷是??陶瓷的重要分支，又分为功能陶瓷和结构陶瓷两大类，其中结构陶瓷一般由单一或复合??的氧化物或非氧化物组成，如单一的Ａ１２０３、Ｚｒ０２、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４等材料，或相互复合，或??与碳纤维结合而成｜２１，具有耐高温、耐腐蚀、高硬度和高强度等优异的性能，可以用于??制造耐磨、耐高温的特殊构件１３］，例如陶瓷发动机和热端部件［４’５］等。??ｎａ瞧隽??原料的和贮＊?粉状潘合抖的？制?成型?饶结?加工??图１．１传统陶瓷生产工艺流程??现有传统结构陶瓷的生产工艺一般分为五个阶段，即原料的购置和贮藏，粉状混合??料的预制，成型，烧结和加工，如图１．１所示。成型和烧结是整个生产过程的两个关键工??序，但成型中的磨耗和烧结中的收缩易导致陶瓷件具有尺寸误差。另外，由于陶瓷材料??硬度大，一般机械加工的陶瓷件表面质量较差；超声技术也可以加工陶瓷件，但是刀具??易磨损，加工效率低、成本高，并且机械加工和超声加工都很难加工形状复杂的产品｜６１，??特别是个性化、轻量化的产品，如图１．２所示的涡轮叶片，限制了其在航空、航天和军事??等行业的应用。为满足复杂、个性化陶瓷零部件的快速研制需求，传统陶瓷材料制造技??术亟待发展。??Ｉ纖??（ａ）陶瓷涡轮叶片?（ｂ）陶瓷涡轮叶片组??图１．２陶瓷涡轮叶片??增材制造技术是？种先进的新兴制造技术，能够实现陶瓷部件的快速制造，可以弥??补和克服传统陶瓷加工工艺难以制造复杂结构件的不足。换言之，増材制造技术可以作??１??
公司预测，到２０２７年陶瓷增材制造的市场有望达到１０亿美元［７］。??陶瓷材料的增材制造己经引起国内外研究者、企业和政府的密切关注。２０１４年，据??报道通用公司在应用第四代碳纤维制成的陶瓷基复合材料（Ｃｅｒａｍｉｃ?Ｍａｔｒｉｘ?Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ，??ＣＭＣ）?３Ｄ打印超声速喷气发动机的叶片［８］。２０１５年，法国３ＤＣＥＲＡＭ公司历经十多年研??发，发布了工业级陶瓷３Ｄ打印机一Ｃｅｒａｍａｋｅｒ［９］。２０１６年１月美国加州ＨＲＬ实验室３Ｄ打印??高温陶瓷技术公布于《科学》杂志，图１．３是该实验室打印的耐高温陶瓷部件ｎ（）］。２０１７??年，ＮＡＳＡ进一步资助了ＨＲＬ的科研人员推进３Ｄ打印陶瓷增强火箭部件的发展。同年，??哈佛科学家研发出超轻质的３Ｄ打印陶瓷泡沫油墨，将应用于医疗、建筑等行业［１１］。２０１７??年，我国印发《增材制造（３Ｄ打印）产业发展行动计划（２０１７－２０２０年）》，明确提出提升陶??瓷增材制造专用材料质量研究［１２］。??图１．３美国ＨＲＬ实验室３Ｄ打印的陶瓷部件??１．２陶瓷增材制造研宄现状??近三十年来，增材制造（Ａｄｄｉｔｉｖｅ?Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，?ＡＭ）技术迅速发展［１３＇?１４１，陶瓷??增材制造技术正逐渐引起重视。从国内外总体研究现状来看［￣１８］，本文认为陶瓷增材制??造技术可分为陶瓷直写（Ｃｅｒａｍｉｃ?Ｄｉｒｅｃｔ?Ｐｒｉｎｔｉｎｇ，?ＣＤＰ）技术、光聚合（Ｐｈｏｔｏｐｏｌｙｍｅｒｉｓａｔｉｏｎ）??打印技术、陶瓷３Ｄ打印粉床技术以及其它陶瓷增材制造技术四大类，如图１．４所示。??今陶瓷直写技术属于“液体喷射技术”，是一种采用喷头沉积陶瓷材料的增材制造??技术，主要
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光选区熔化设备发展现状与趋势[J]. 宋长辉,翁昌威,杨永强,王迪,李阳. 机电工程技术. 2017(10)
[2]墨水直写、喷墨打印和激光直写技术及其在微电子器件中的应用[J]. 陈燎,唐兴伟,周涵,范同祥. 材料导报. 2017(09)
[3]陶瓷3D打印技术的研究与进展[J]. 李亚运,司云晖,熊信柏,邹继兆,曾燮榕. 硅酸盐学报. 2017(06)
[4]陶瓷面曝光快速成型工艺研究[J]. 杨飞,连芩,武向权,李涤尘,靳忠民. 机械工程学报. 2017(07)
[5]氧化铝陶瓷激光选区熔化成形实验[J]. 张凯,刘婷婷,廖文和,张长东,闫以帅,杜道中. 中国激光. 2016(10)
[6]激光大尺度3维动态聚焦扫描加工系统研究[J]. 李东华,邓磊敏,段军,曾晓雁,游欣易. 激光技术. 2016(04)
[7]扫描策略对金属粉末选区激光熔化温度场的影响[J]. 陈德宁,刘婷婷,廖文和,张长东,张凯. 中国激光. 2016(04)
[8]陶瓷材料增材制造技术研究进展[J]. 周汝垚,帅茂兵,蒋驰. 材料导报. 2016(01)
[9]应用于陶瓷材料的快速成型技术的发展[J]. 左开慧,姚冬旭,夏咏锋,尹金伟,曾宇平. 中国材料进展. 2015(12)
[10]钛及钛合金粉末近净成形技术研究进展[J]. 王涛,龙剑平,杨绍利,方霖,仲利. 钛工业进展. 2015(05)
博士论文
[1]激光选区熔化微尺度熔池特性与凝固微观组织[D]. 周鑫.清华大学 2016
[2]选择性激光熔覆氧化铝/氧化锆共晶陶瓷材料的实验研究[D]. 刘治.第四军医大学 2015
硕士论文
[1]激光近净成形316L不锈钢块体材料的工艺与性能研究[D]. 李俊鑫.大连理工大学 2016
[2]垂直传热对矩形液池内热毛细对流的影响[D]. 张鸿儒.重庆大学 2010
[3]金属粉末选择性激光熔化成形模拟及试验研究[D]. 李佳桂.华中科技大学 2007
[4]激光快速原型三维温度场仿真及其热应变计算[D]. 熊文平.湖南大学 2004
本文编号：3585838
【文章来源】：南京理工大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：131 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１传统陶瓷生产工艺流程??
陶瓷是一种无机非金属材料，按原料特征分为普通陶瓷和特种陶瓷ｍ。特种陶瓷是??陶瓷的重要分支，又分为功能陶瓷和结构陶瓷两大类，其中结构陶瓷一般由单一或复合??的氧化物或非氧化物组成，如单一的Ａ１２０３、Ｚｒ０２、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４等材料，或相互复合，或??与碳纤维结合而成｜２１，具有耐高温、耐腐蚀、高硬度和高强度等优异的性能，可以用于??制造耐磨、耐高温的特殊构件１３］，例如陶瓷发动机和热端部件［４’５］等。??ｎａ瞧隽??原料的和贮＊?粉状潘合抖的？制?成型?饶结?加工??图１．１传统陶瓷生产工艺流程??现有传统结构陶瓷的生产工艺一般分为五个阶段，即原料的购置和贮藏，粉状混合??料的预制，成型，烧结和加工，如图１．１所示。成型和烧结是整个生产过程的两个关键工??序，但成型中的磨耗和烧结中的收缩易导致陶瓷件具有尺寸误差。另外，由于陶瓷材料??硬度大，一般机械加工的陶瓷件表面质量较差；超声技术也可以加工陶瓷件，但是刀具??易磨损，加工效率低、成本高，并且机械加工和超声加工都很难加工形状复杂的产品｜６１，??特别是个性化、轻量化的产品，如图１．２所示的涡轮叶片，限制了其在航空、航天和军事??等行业的应用。为满足复杂、个性化陶瓷零部件的快速研制需求，传统陶瓷材料制造技??术亟待发展。??Ｉ纖??（ａ）陶瓷涡轮叶片?（ｂ）陶瓷涡轮叶片组??图１．２陶瓷涡轮叶片??增材制造技术是？种先进的新兴制造技术，能够实现陶瓷部件的快速制造，可以弥??补和克服传统陶瓷加工工艺难以制造复杂结构件的不足。换言之，増材制造技术可以作??１??
公司预测，到２０２７年陶瓷增材制造的市场有望达到１０亿美元［７］。??陶瓷材料的增材制造己经引起国内外研究者、企业和政府的密切关注。２０１４年，据??报道通用公司在应用第四代碳纤维制成的陶瓷基复合材料（Ｃｅｒａｍｉｃ?Ｍａｔｒｉｘ?Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ，??ＣＭＣ）?３Ｄ打印超声速喷气发动机的叶片［８］。２０１５年，法国３ＤＣＥＲＡＭ公司历经十多年研??发，发布了工业级陶瓷３Ｄ打印机一Ｃｅｒａｍａｋｅｒ［９］。２０１６年１月美国加州ＨＲＬ实验室３Ｄ打印??高温陶瓷技术公布于《科学》杂志，图１．３是该实验室打印的耐高温陶瓷部件ｎ（）］。２０１７??年，ＮＡＳＡ进一步资助了ＨＲＬ的科研人员推进３Ｄ打印陶瓷增强火箭部件的发展。同年，??哈佛科学家研发出超轻质的３Ｄ打印陶瓷泡沫油墨，将应用于医疗、建筑等行业［１１］。２０１７??年，我国印发《增材制造（３Ｄ打印）产业发展行动计划（２０１７－２０２０年）》，明确提出提升陶??瓷增材制造专用材料质量研究［１２］。??图１．３美国ＨＲＬ实验室３Ｄ打印的陶瓷部件??１．２陶瓷增材制造研宄现状??近三十年来，增材制造（Ａｄｄｉｔｉｖｅ?Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，?ＡＭ）技术迅速发展［１３＇?１４１，陶瓷??增材制造技术正逐渐引起重视。从国内外总体研究现状来看［￣１８］，本文认为陶瓷增材制??造技术可分为陶瓷直写（Ｃｅｒａｍｉｃ?Ｄｉｒｅｃｔ?Ｐｒｉｎｔｉｎｇ，?ＣＤＰ）技术、光聚合（Ｐｈｏｔｏｐｏｌｙｍｅｒｉｓａｔｉｏｎ）??打印技术、陶瓷３Ｄ打印粉床技术以及其它陶瓷增材制造技术四大类，如图１．４所示。??今陶瓷直写技术属于“液体喷射技术”，是一种采用喷头沉积陶瓷材料的增材制造??技术，主要
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光选区熔化设备发展现状与趋势[J]. 宋长辉,翁昌威,杨永强,王迪,李阳. 机电工程技术. 2017(10)
[2]墨水直写、喷墨打印和激光直写技术及其在微电子器件中的应用[J]. 陈燎,唐兴伟,周涵,范同祥. 材料导报. 2017(09)
[3]陶瓷3D打印技术的研究与进展[J]. 李亚运,司云晖,熊信柏,邹继兆,曾燮榕. 硅酸盐学报. 2017(06)
[4]陶瓷面曝光快速成型工艺研究[J]. 杨飞,连芩,武向权,李涤尘,靳忠民. 机械工程学报. 2017(07)
[5]氧化铝陶瓷激光选区熔化成形实验[J]. 张凯,刘婷婷,廖文和,张长东,闫以帅,杜道中. 中国激光. 2016(10)
[6]激光大尺度3维动态聚焦扫描加工系统研究[J]. 李东华,邓磊敏,段军,曾晓雁,游欣易. 激光技术. 2016(04)
[7]扫描策略对金属粉末选区激光熔化温度场的影响[J]. 陈德宁,刘婷婷,廖文和,张长东,张凯. 中国激光. 2016(04)
[8]陶瓷材料增材制造技术研究进展[J]. 周汝垚,帅茂兵,蒋驰. 材料导报. 2016(01)
[9]应用于陶瓷材料的快速成型技术的发展[J]. 左开慧,姚冬旭,夏咏锋,尹金伟,曾宇平. 中国材料进展. 2015(12)
[10]钛及钛合金粉末近净成形技术研究进展[J]. 王涛,龙剑平,杨绍利,方霖,仲利. 钛工业进展. 2015(05)
博士论文
[1]激光选区熔化微尺度熔池特性与凝固微观组织[D]. 周鑫.清华大学 2016
[2]选择性激光熔覆氧化铝/氧化锆共晶陶瓷材料的实验研究[D]. 刘治.第四军医大学 2015
硕士论文
[1]激光近净成形316L不锈钢块体材料的工艺与性能研究[D]. 李俊鑫.大连理工大学 2016
[2]垂直传热对矩形液池内热毛细对流的影响[D]. 张鸿儒.重庆大学 2010
[3]金属粉末选择性激光熔化成形模拟及试验研究[D]. 李佳桂.华中科技大学 2007
[4]激光快速原型三维温度场仿真及其热应变计算[D]. 熊文平.湖南大学 2004
本文编号：3585838
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