氧化铝陶瓷直接激光选区烧结成形工艺及机理研究

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直接激光选区烧结(direct Selective Laser Sintering,dSLS)是增材制造技术的一支,它利用激光的热效应熔融陶瓷粉体,基于分层-叠加原理使陶瓷粉末烧结在一起从而成形出陶瓷零件,具备不含有机粘结剂、无需脱胶等后处理工艺、成形流程短、陶瓷材料利用率高等优点,是更为理想的陶瓷增材制造技术。然而,陶瓷材料本身的高硬度、高熔点等性质导致了当前dSLS技术具有成形难度大、对设备要求高、成品质量较低等特点。本研究通过加入硬质陶瓷B4C以及粉体压力处理技术这两种简便方法,分别成形出多孔和致密氧化铝陶瓷,研究了两种工艺成形氧化铝陶瓷的影响因素和成形机理,并得到如下结论:(1)碳化硼的加入使氧化铝的dSLS成形区域大大扩展,可以将氧化铝的颗粒尺寸从约3?m(3 wt%B4C)增加至约5?m(5 wt%B4C)。氧化铝多孔陶瓷的孔径尺寸随碳化硼的添加量增大而减小,1 wt%B4C含量样品的平均孔径为7.05?m,而当B4C的量达到9 wt%时,平均孔径降低至3.39?m。(2)氧化铝多孔陶瓷的最优碳化硼添加量应为5 wt%,dSLS样品密度为1.04g/cm3、抗压强度为0.74 MPa,经后处理后其密度可达1.38 g/cm3、抗压强度为2.91MPa。当碳化硼添加量达到9 wt%时,尺寸膨胀率可达到5.69%。(3)压力处理使氧化铝dSLS可成形区域大幅扩大,350 MPa时,能量密度约为100600 J/cm2范围内成形质量最佳。随着处理压力增大,粉体堆积密度的增大,氧化铝样品晶粒减小。压强为50 MPa时,粉体的堆积密度1.84 g/cm3,压强为350MPa时,堆积密度2.39 g/cm3。压力50 MPa时,样品晶粒最大,陶瓷层厚度最大(135.55?m),350 MPa时晶粒最小,陶瓷层厚度为61.10?m。(4)当其他参数一定时,激光功率增大,晶粒增大且取向性越高,样品边缘翘曲更为明显。当其他参数一定时,扫描速率增大,晶粒尺寸减小,取向越为无序,翘曲程度降低。较小的扫描间距有利于消除样品缺陷,促进晶粒生长。dSLS成形多层氧化铝陶瓷时,微小缺陷都会累加直接影响下层粉体的铺覆、压力处理和激光烧结,必须保证每层陶瓷的平整度。上述结论表明通过添加碳化硼和压力处理可以有效改善氧化铝的烧结性能,简化了直接激光选区烧结制备氧化铝陶瓷的实验条件,为通过dSLS技术制备性能优秀、结构形状复杂的氧化铝陶瓷奠定了基础。
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