陶瓷材料选择性激光烧结熔融技术研究与应用

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1、陶瓷材料选择性激光烧结熔融技术研究与应用随着制造技术的不断发展和应用需求的提升，陶瓷材料因其具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等独特优势，开始被应用于火箭收•扩式可调尾喷管、热电偶套管、热交换器等热端部件的制造。2010年11月，通用电气公司在F414改进型发动机上进行了陶瓷基复合材料（CMC）涡轮转子叶片的试验性应用；2013年GE9X发动机研究项目高压压气机（HPC）采用了CMC制造燃烧室和涡伦。这些热端陶瓷零部件结构复杂，特别是一些具有薄壁、内流管道、深孔等特征的零件，采用传统加工工艺困难，如切削加工、干压成

2、型、注浆成型、流延成型、凝胶注模成型等方法，难以满足生产需求。为满足新一代复杂零部件的先进制造需求，产品的轻量化以及节能高效的先进制造工艺越来越受到青睐，新型制造技术不断涌现，这些新加工方法在弥补和克服传统加工工艺不足的同时为陶瓷零件的制造提供了新的思路。增材制造技术是20世纪80年代出现的一种新型“增量”快速制造技术，将三维模型降为系列二维平面，利离散材料逐层堆积，自下而上“生长”成具有任意复杂结构的三维产品。该技术可在无需准备任何模具、刀具和工装卡具的情况下，直接接受产品设计数据，快速制造出新产品，从而极大缩短新

3、产品研发周期、降低开发成本，对企业快速响应市场、提升市场竞争力具有重要价值。选择性激光烧结（SLS）和选择性激光熔融（SLM）技术是增材制造技术的重要分支，一经提出就引起研究人员广泛关注，塑料、尼龙、树脂及金属材料SLS/SLM技术已经取得了较好的研究成果并在航空航天、医疗、模具、汽车等领域得到广泛应用。然而，对于AI2O3、ZrO2、SiO2.Si3N4、TiC、SiC、莫来石、磷灰石等陶瓷材料,Ftl于熔点高、脆性大，塑性和韧性差，在热冲击下易产生裂纹，同时由于SLS/SLM急热急冷的加工特点，使得陶瓷材料在成形

4、过程中容易产生裂纹，成形困难。目前，国内外已经有一些科研院所开展陶瓷材料的SLS/SLM技术研究，在陶瓷材料SLS/SLM成形理论和技术方面取得了一定的进展。本文作者查阅了国内外开展陶瓷材料SLS/SLM技术研究主要科研院所，详细分析了目前陶瓷材料SLS/SLM研究状态和水平，激光成形工艺参数、温度场及后处理等因素对SLS/SLM成形件质量和性能的影响作用。2陶瓷材料的SLS/SLM成形发展现状2.1陶瓷材料的SLS成形发展现状SLS由美国Texas大学Austin分校的CarlCkard于1989年提出，采用先预置

5、粉末,激光有选择地分层烧结固体粉末，并使烧结成形的固化层层层叠加生成所需形状的零件。根据烧结过程不同的粘结机理，SLS分为固态烧结、化学诱导连接、部分熔化的液相烧结和完全熔化四种类型；根据在成形过程中是否使用粘结剂，SLS又分为添加粘结剂和不添加粘结剂两类。添加粘结剂的SLS,首先将粉末材料与粘结剂混合，激光有选择地分层烧结混合粉末获得成形件，然后将所得成形件置于加热炉中，通过脱脂处理去除其中的粘结剂，再进行浸渗处理，在孔隙中渗入填充物；对于不添加粘结剂的SLS,烧结材料由高熔点和低熔点两种粉末材料构成，在激光扫描过

6、程中，低熔点的粉末颗粒熔化，而高熔点的粉末颗粒温度升高但并未熔化，低熔点的粉末颗粒作为粘结剂将高熔点的粉末材料粘结在一起形成成形件。从SLS成形技术提出到现在，以比利时鲁汶大学、美国德克萨斯大学奥斯汀分校、美国宾夕法尼亚大学等高校为代表的研究机构己经针对陶瓷材料开展了一系列研究。目前，应用于SLS的陶瓷材料主要包括氧化错、氧化铝、硼化错等。2.1.1氧化诰SLS成形氧化钻密度人，熔点高达2700C,耐热性、耐蚀性优良，导热率低，被认为是发动机上最有前途的陶瓷材料。同时，氧化钻透光性好、具有较好生物相容性，是牙科领域新

7、兴修复材料。稳定剂氧化铠含量是影响氧化钳相变临界尺寸的主要因素，通过控制氧化锂含量可以影响其相变增韧效应从而影响成形件的断裂韧性。Harlan等采用T乙8丫氧化铠氧化钻粉末开展激光烧结实验，观察成形件（图1）微观结构，未发现裂纹且每个方向上的线性收缩为13%,样件平均粗糙度为14pm。经浸渗处理后，各表面粗糙度降低为9pm,中问小孔表面粗糙度5pm。俄罗斯科学院Lebedev物理研究所Shishkovsky和法国DIPI实验室的Yadroitsev等采用ZrO2（ZrO290wt%,Y2O310wt%）粉末，在Phe

8、nixPM100±进行激光烧结成形实验，成形图2所示的氧化钻陶瓷试样，成形件表血微观组织（图3）相对均匀致密，但是含有气孔和裂纹。图1粉末SLS成形试件同美国宾夕法尼亚大学Peelamedu等对铠含量3%的稳定四方多晶氧化钻（3Y-TZP）粉末进行SLS成形，采用Nd:YAG激光器（1.06pm波长）和2.45-GHz微波辐射相结合的方式成形了