[发明专利]选择性激光熔化制备圆柱状Al2

说明书

一种选择性激光熔化制备圆柱状Al₂O₃‑GdAlO₃二元共晶陶瓷的方法，利用CO₂激光器通过选择性激光熔化方法获得圆柱状Al₂O₃‑GdAlO₃共晶陶瓷，该Al₂O₃‑GdAlO₃共晶陶瓷尺寸为Φ20×2mm³。得到的共晶陶瓷微观组织细小致密，呈现出典型的相互缠绕的三维网状共晶凝固组织形貌，并且激光扫描区域熔体材料获得较大过冷度，增大形核速率，从而细化共晶组织，提高试样的力学性能。本发明的扫描速率最高可达5000mm/s，选用CO₂激光器能量吸收率高，更有利于氧化物陶瓷材料的完全熔化和凝固成形，并且能够制备出具有曲面结构的圆柱形试样，具有一步快速成形大尺寸兼具复杂形状的凝固共晶陶瓷试样的潜力，通过后续优化工艺，有望制备出质量更高的大尺寸Al₂O₃‑GdAlO₃共晶陶瓷试样。

技术领域

本发明涉及陶瓷材料领域，具体是一种圆柱状Al₂O₃-GdAlO₃二元共晶陶瓷及其制备方法。

背景技术

实验证实利用定向凝固技术制备的Al₂O₃-GdAlO₃共晶陶瓷具有优异的高温强度、抗氧化、抗蠕变及高温结构稳定性等特点，例如从室温到1600℃，该陶瓷材料屈服强度达到690MPa，弯曲强度可保持在500～600MPa范围内几乎不变。在1700℃的大气氛围下热暴露500h后，强度基本不变，凝固组织没有明显粗化，试样尺寸、表面粗糙度及重量基本没有变化，说明该陶瓷材料具有良好的抗氧化性、高温组织稳定性和高温力学性能。

目前，陶瓷加工制备方法主要以传统烧结工艺为主，在规模化及标准化的陶瓷产品成形领域发挥了重要作用。但该工艺制备的陶瓷材料均为烧结多晶组织，通常无法得到单晶组织。无定型相的存在以及基体相与其他组成相之间存在的弱连接界面，使得陶瓷高温力学性能大幅降低，难以满足航空航天苛刻严峻的服役环境要求。因此，急需开发新的材料制备工艺。

选择性激光熔化方法(Selected Laser Melting-SLM)是近年发展起来的一种增材制造技术，具有高效、快速、无需模具且柔性制造等优势。选择性激光熔化方法可以通过直接熔化粉末材料，层层堆积，一步快速制备出具有特定几何形状的零件。目前，该方法较多应用于金属材料的制备，由于陶瓷材料固有的高熔点及脆硬特性，在加工过程中极易产生气孔、裂纹等多种缺陷，增加了大尺寸且高质量陶瓷样件的制备难度。

文献“Z.Fan,M.Lu,H.Huang.Selective laser melting ofalumina:A singletrack study [J].Ceramics International,(2018)44:9484-9493.”报道了选择性激光熔化法制备氧化铝陶瓷的方法，利用激光器对基板上的粉末材料进行快速扫描熔化，获得了一层条带状的氧化铝陶瓷，试样宽度和厚度均较小，且该陶瓷材料中存在较多的Al₂O₃枝晶组织，组织粗大且不均匀，阻碍了材料力学性能的提高。

专利“刘婷婷,张凯,张长东,闫以帅,廖文和,杜道中.一种无粘结剂的陶瓷浆料激光选区熔化/烧结成形方法[P].中国专利：CN 107973607 A，2018-05-01.”公布了一种利用激光器对预置浆料粉层进行选区激光熔化/烧结的成形方法，获得了尺寸为10 ×10×2mm³的方块状陶瓷样件，但该方法操作复杂，首先需要制备一定质量分数的浆料，预先铺基板上并保持厚度为30μm，然后，利用感应加热系统预热浆料粉层，待水分蒸发95％左右后，利用激光器进行选择性激光熔化。当该加工层冷却至50～130℃时，重复预置粉层和打印操作直至加工出设定的三维实体样件。该方法较为繁琐耗时，需要重复进行预置浆料、干燥粉层、预热粉层、烧结/熔化，增加了操作的复杂性。