[发明专利]一种激光送粉法制备氧化铝基共晶陶瓷的方法

说明书

技术领域

本发明涉及高性能材料激光快速成形制备领域，具体是一种利用表面气氛加热炉辅助激光送粉立体成型，实现高熔点、高致密度、低热应力特别是具有较大体积氧化铝基共晶陶瓷材料的制备技术。

背景技术

氧化物共晶自生陶瓷具有优异的高温强度、热稳定性、抗蠕变特性及高温抗氧化性，是近年来发展的有望在1650℃以上恶劣环境下长期使用的超高温结构材料。然而，迄今为止氧化物陶瓷材料的主要制备技术仍是粉末烧结法。由于粉末烧结陶瓷材料均为多晶组织，通常无法得到单晶组成相，陶瓷颗粒、基体和其他组成相(如增强相或增韧相)以及各组成相之间均存在着大量的弱连接界面，显微组织的均匀性和稳定性以及材料的孔隙率均难以消除，导致陶瓷材料高温力学性能锐减，极大的限制了陶瓷材料在超高温条件下的应用。利用激光快速成型这种新型成型技术可获得性能较好的氧化物共晶陶瓷，但该方法在激光快速成型的过程中产生巨大的热应力，导致试样容易开裂，共晶陶瓷属于脆性材料，更易开裂，因此激光悬浮区熔成型共晶陶瓷仅限于制备较小尺寸的样品。

激光具有非常高的能量密度，能够快速熔化非常高熔点的材料，用于定向凝固时固液界面温度梯度可达10³～10⁴K/cm数量级，远高于常规技术的10¹～10²K/cm数量级。激光快速成形技术是一种利用高能激光束对金属或非金属材料进行激光表面熔化与无界面快速热传导自淬火激冷快速定向凝固，不仅可以直接获得具有快速凝固组织特征和特殊物理化学及力学性能的表层材料外，而且可以实现高性能复杂结构零件的无模具、快速、全致密近净成形，具有熔炼温度高、温度梯度高、凝固速率控制精度高、材料和环境适应性广泛、无污染等特点，已受到国内外众多学者的高度重视。

在公开号为CN 102115882A的专利申请中，上海工程技术大学提出了一种激光材料加工技术领域的激光基体表面熔覆合金的办法，该方法在激光熔覆成形时，在惰性气体的保护下，采用激光熔覆的办法在金属基体表面熔覆单道或多道合金。制备得到的金属具有良好的熔覆层。但是由于陶瓷具有较大脆性，限制了激光加工成形技术在陶瓷制备中的应用，因此相关制备技术的研究并不多见。

发明内容

为克服现有技术中存在的或者仅限于制备较小尺寸的样品，或者由于陶瓷具有较大脆性，限制了激光加工成形技术在陶瓷制备中的应用的不足，本发明提出了一种激光送粉法制备氧化铝基共晶陶瓷的方法。

本发明包括以下步骤：

步骤1，配制共晶陶瓷粉末；

步骤2，表面气氛加热炉加热；将得到的部分粉末均匀铺在金属基板上形成共晶陶瓷基底；将铺有共晶陶瓷基底的金属基板置于表面气氛加热炉的加热板上；向炉膛内通入保护气体N₂气；N₂气流量100～150ml/min；对加热板加热，进而通过加热板对粉末加热至1200℃；加热中，600℃以下以导通比为20％的速度加热，600℃以上以导通比为40％的速度加热；加热中持续保温，使试样温度与加热板温度一致；加热中持续通入N₂气；得到加热后的共晶陶瓷基底；

步骤3，成形共晶陶瓷；采用激光区熔方法成形共晶陶瓷的过程，其具体过程是：将剩余的共晶陶瓷粉末置于送粉器中，使送粉器和激光器位于共晶陶瓷基底表面成形共晶陶瓷的起点处，同时启动送粉器和激光器；送粉器将粉末输送至激光熔池水平移动方向的边缘处，所述粉末落到共晶陶瓷基底表面时被水平移动过来的激光熔池熔化；激光器沿共晶陶瓷基底的长度方向逐行水平扫描，当激光熔池水平移动过去后，被熔化的粉末凝固，在共晶陶瓷基底表面形成第一道共晶陶瓷；当激光器完成第一行扫描后，沿共晶陶瓷基底表面宽度平移，进行第二行的水平扫描，得到在共晶陶瓷基底表面形成的第二道共晶陶瓷；以此类推，激光器逐渐向共晶陶瓷基底的宽度方向推进，直至整个共晶陶瓷基底表面形成第一层共晶陶瓷；当第一层共晶陶瓷的成形完成后，送粉器和激光器回到起点，按成形第一层共晶陶瓷的方法，在得到的第一层共晶陶瓷表面继续成形第二层共晶陶瓷；重复上述激光区熔成形共晶陶瓷的过程，得到所需的共晶陶瓷；成形共晶陶瓷中，激光功率为200～800W，激光扫描速度0.2～6mm/min，激光光斑直径为8～12mm，激光器沿共晶陶瓷基底宽度平移后相邻两行中心线的间距为7～10mm，送粉器的送粉速度为0.6～2.0g/min；在激光区熔过程中，表面气氛加热炉对试样持续加热，使试样的温度保持在1200℃，并通入N₂气；