[发明专利]ZrO2/SiC复合掺杂增韧Al2O3基陶瓷件的激光近净成形方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种ZrO₂/SiC复合掺杂增韧Al₂O₃基陶瓷件的激光近净成形方法，旨在抑制Al₂O₃陶瓷结构件激光近净成形过程中裂纹的产生及扩展。

背景技术

随着世界工业水平和先进制造技术的迅猛发展，对结构件在特种环境下的使用寿命要求不断提高，金属材料在高温腐蚀、绝缘以及高磨损环境下的性能已经难以满足要求，比如航空航天发动机的高磨损耐高温叶轮、极端工矿条件用机械手、国防和高新技术领域特种零部件等。而陶瓷材料由于其来源的广泛性、以及独特的耐磨、耐腐蚀、高硬度以及抗高温性能，在材料家族中备受关注，各个领域均有着十分重要的应用价值。其中Al₂O₃ 蕴藏分布丰富、价格低廉，利用其机械强度高、绝缘强度大的特点，可以用于制作真空器件、厚膜和薄膜电路基板、火花塞等；利用其强度和硬度高的特性可以用作纺织瓷件、磨料磨具及切削刀具等。

激光近净成形技术(Laser Engineered Net Shaping-LENS^TM)是一种高能束直接作用粉末材料，通过使粉末熔化再凝固成形目标结构的先进制造方法，具有优质、高效、高精度、轻量化、低成本的特点。应用在Al₂O₃陶瓷结构件的成形制造中可以细化材料的微观组织，提高陶瓷件组织致密性和成分均匀性，简化制造工艺流程，不仅可以充分发挥Al₂O₃陶瓷材料的优良性能，也为此种材料的结构件直接制造提供一种新方法，实现复杂陶瓷件的制备，在工程应用领域使得特种环境下的Al₂O₃陶瓷结构件替代复杂昂贵金属结构件成为可能。但是由于激光加工能量高、熔凝快的特点以及Al₂O₃陶瓷的本征脆性，导致激光近净成形时，陶瓷结构件容易产生裂纹，严重影响结构件的断裂韧性及最终的使用寿命。

因此激光近净成形Al₂O₃结构件过程中，有效降低结构件内部裂纹是保证Al₂O₃陶瓷结构件韧性及使用寿命的关键。采用激光技术制备陶瓷材料的方法中，对于裂纹的抑制，以下文献有相关报道：

美国学者V.K. Balla，S. Bose，A.Bandvopadhvav：“块体氧化铝激光近净成形（Processing of Bulk Alumina Ceramics Using Laser Engineered Net Shaping）”，《应用陶瓷技术国际杂志（International Journal of Applied Ceramic Technology）》，2008年5卷。

俄罗斯学者I.Shishkovsky，I.Yadroitsev，Ph.Bertrand：“选择性激光烧结氧化铝-氧化锆复相陶瓷（Alumina–zirconium Ceramics Synthesis by Selective Laser Sintering/Melting）”，《应用表面科学（Applied Surface Science）》，2007年254卷。

德国学者Hagedorn，Y.Christian，Wilkes：“选择性激光烧结成形高性能氧化物陶瓷零件（Net Shaped High Performance Oxide Ceramic Parts by Selective Laser Melting）”《物理汇刊（Physics Procedia）》，2010年5卷。

法国学者Ph.Bertrand，F.Bayle，C.Combe等：“选择性激光烧结制造陶瓷零件（Ceramic Components Manufacturing by Selective Laser Sintering）”，《应用表面科学（Applied Surface Science）》，2007年254卷。

通过文献调研了解到，利用激光技术成形陶瓷结构件，由于成形过程中的高能量、快速熔凝、急冷收缩以及陶瓷材料的本征脆性都会导致陶瓷结构件产生裂纹缺陷。因此解决加工过程中的裂纹开裂问题成为激光近净成形技术得以推广的关键因素。虽然上述文献提出可通过优化工艺参数、基体预热、后续保温热处理等办法来改善，但仍然存在以下缺点：