氧化物陶瓷材料激光選區(qū)熔化成形機理與試驗研究
發(fā)布時間：2022-01-13 01:58
陶瓷材料因其性能優(yōu)異具有廣闊的應用前景,然而傳統(tǒng)的陶瓷加工方式難以快速制造個性化、輕量化和復雜化的產品,限制了其在航空、航天、兵器等領域的應用。激光選區(qū)熔化（Selective Laser Melting,SLM）技術作為一種重要的增材制造技術,基于完全熔化機制,直接成形,加工效率高,可以彌補和克服傳統(tǒng)陶瓷加工方式的不足,有望推動其在航空、航天、兵器等領域的應用。本論文以建立熔池特性與微觀組織結構、缺陷的關聯(lián)關系和獲得缺陷、凝固組織結構的形成機理為目標,從熔池的角度出發(fā),開展了陶瓷SLM設備及熔池監(jiān)控系統(tǒng)設計、成形工藝研究、缺陷及形成機理和凝固組織及形成機理四個方面的研究,主要工作如下:（1）研究了無粘結劑陶瓷漿料SLM成形工藝路線,分析了工藝參數(shù)對成形件表面形貌的影響規(guī)律,解釋了粉末飛濺機理,基于貝納德-馬蘭戈尼對流理論,闡明了 A1203成形件表面條狀和指狀凝固形成機理,建立了貝納德模型與工藝參數(shù)的關聯(lián)關系圖。分析認為高溫水蒸氣與環(huán)境間的壓力差會抑制粉末飛濺;掃描速度為60mm/s～120mm/s,激光功率為140W～200W工藝區(qū)間內會發(fā)生條狀對流。工藝優(yōu)化結果表明,當激光功率2...
【文章來源】：南京理工大學江蘇省 211工程院校
【文章頁數(shù)】：131 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
圖１．１傳統(tǒng)陶瓷生產工藝流程??
陶瓷是一種無機非金屬材料，按原料特征分為普通陶瓷和特種陶瓷ｍ。特種陶瓷是??陶瓷的重要分支，又分為功能陶瓷和結構陶瓷兩大類，其中結構陶瓷一般由單一或復合??的氧化物或非氧化物組成，如單一的Ａ１２０３、Ｚｒ０２、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４等材料，或相互復合，或??與碳纖維結合而成｜２１，具有耐高溫、耐腐蝕、高硬度和高強度等優(yōu)異的性能，可以用于??制造耐磨、耐高溫的特殊構件１３］，例如陶瓷發(fā)動機和熱端部件［４’５］等。??ｎａ瞧雋??原料的和貯＊?粉狀潘合抖的？制?成型?饒結?加工??圖１．１傳統(tǒng)陶瓷生產工藝流程??現(xiàn)有傳統(tǒng)結構陶瓷的生產工藝一般分為五個階段，即原料的購置和貯藏，粉狀混合??料的預制，成型，燒結和加工，如圖１．１所示。成型和燒結是整個生產過程的兩個關鍵工??序，但成型中的磨耗和燒結中的收縮易導致陶瓷件具有尺寸誤差。另外，由于陶瓷材料??硬度大，一般機械加工的陶瓷件表面質量較差；超聲技術也可以加工陶瓷件，但是刀具??易磨損，加工效率低、成本高，并且機械加工和超聲加工都很難加工形狀復雜的產品｜６１，??特別是個性化、輕量化的產品，如圖１．２所示的渦輪葉片，限制了其在航空、航天和軍事??等行業(yè)的應用。為滿足復雜、個性化陶瓷零部件的快速研制需求，傳統(tǒng)陶瓷材料制造技??術亟待發(fā)展。??Ｉ纖??（ａ）陶瓷渦輪葉片?（ｂ）陶瓷渦輪葉片組??圖１．２陶瓷渦輪葉片??增材制造技術是？種先進的新興制造技術，能夠實現(xiàn)陶瓷部件的快速制造，可以彌??補和克服傳統(tǒng)陶瓷加工工藝難以制造復雜結構件的不足。換言之，増材制造技術可以作??１??
公司預測，到２０２７年陶瓷增材制造的市場有望達到１０億美元［７］。??陶瓷材料的增材制造己經引起國內外研究者、企業(yè)和政府的密切關注。２０１４年，據??報道通用公司在應用第四代碳纖維制成的陶瓷基復合材料（Ｃｅｒａｍｉｃ?Ｍａｔｒｉｘ?Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ，??ＣＭＣ）?３Ｄ打印超聲速噴氣發(fā)動機的葉片［８］。２０１５年，法國３ＤＣＥＲＡＭ公司歷經十多年研??發(fā)，發(fā)布了工業(yè)級陶瓷３Ｄ打印機一Ｃｅｒａｍａｋｅｒ［９］。２０１６年１月美國加州ＨＲＬ實驗室３Ｄ打印??高溫陶瓷技術公布于《科學》雜志，圖１．３是該實驗室打印的耐高溫陶瓷部件ｎ（）］。２０１７??年，ＮＡＳＡ進一步資助了ＨＲＬ的科研人員推進３Ｄ打印陶瓷增強火箭部件的發(fā)展。同年，??哈佛科學家研發(fā)出超輕質的３Ｄ打印陶瓷泡沫油墨，將應用于醫(yī)療、建筑等行業(yè)［１１］。２０１７??年，我國印發(fā)《增材制造（３Ｄ打�。┊a業(yè)發(fā)展行動計劃（２０１７－２０２０年）》，明確提出提升陶??瓷增材制造專用材料質量研究［１２］。??圖１．３美國ＨＲＬ實驗室３Ｄ打印的陶瓷部件??１．２陶瓷增材制造研宄現(xiàn)狀??近三十年來，增材制造（Ａｄｄｉｔｉｖｅ?Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，?ＡＭ）技術迅速發(fā)展［１３＇?１４１，陶瓷??增材制造技術正逐漸引起重視。從國內外總體研究現(xiàn)狀來看［￣１８］，本文認為陶瓷增材制??造技術可分為陶瓷直寫（Ｃｅｒａｍｉｃ?Ｄｉｒｅｃｔ?Ｐｒｉｎｔｉｎｇ，?ＣＤＰ）技術、光聚合（Ｐｈｏｔｏｐｏｌｙｍｅｒｉｓａｔｉｏｎ）??打印技術、陶瓷３Ｄ打印粉床技術以及其它陶瓷增材制造技術四大類，如圖１．４所示。??今陶瓷直寫技術屬于“液體噴射技術”，是一種采用噴頭沉積陶瓷材料的增材制造??技術，主要
【參考文獻】：
期刊論文
[1]激光選區(qū)熔化設備發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J]. 宋長輝,翁昌威,楊永強,王迪,李陽. 機電工程技術. 2017(10)
[2]墨水直寫、噴墨打印和激光直寫技術及其在微電子器件中的應用[J]. 陳燎,唐興偉,周涵,范同祥. 材料導報. 2017(09)
[3]陶瓷3D打印技術的研究與進展[J]. 李亞運,司云暉,熊信柏,鄒繼兆,曾燮榕. 硅酸鹽學報. 2017(06)
[4]陶瓷面曝光快速成型工藝研究[J]. 楊飛,連芩,武向權,李滌塵,靳忠民. 機械工程學報. 2017(07)
[5]氧化鋁陶瓷激光選區(qū)熔化成形實驗[J]. 張凱,劉婷婷,廖文和,張長東,閆以帥,杜道中. 中國激光. 2016(10)
[6]激光大尺度3維動態(tài)聚焦掃描加工系統(tǒng)研究[J]. 李東華,鄧磊敏,段軍,曾曉雁,游欣易. 激光技術. 2016(04)
[7]掃描策略對金屬粉末選區(qū)激光熔化溫度場的影響[J]. 陳德寧,劉婷婷,廖文和,張長東,張凱. 中國激光. 2016(04)
[8]陶瓷材料增材制造技術研究進展[J]. 周汝垚,帥茂兵,蔣馳. 材料導報. 2016(01)
[9]應用于陶瓷材料的快速成型技術的發(fā)展[J]. 左開慧,姚冬旭,夏詠鋒,尹金偉,曾宇平. 中國材料進展. 2015(12)
[10]鈦及鈦合金粉末近凈成形技術研究進展[J]. 王濤,龍劍平,楊紹利,方霖,仲利. 鈦工業(yè)進展. 2015(05)
博士論文
[1]激光選區(qū)熔化微尺度熔池特性與凝固微觀組織[D]. 周鑫.清華大學 2016
[2]選擇性激光熔覆氧化鋁/氧化鋯共晶陶瓷材料的實驗研究[D]. 劉治.第四軍醫(yī)大學 2015
碩士論文
[1]激光近凈成形316L不銹鋼塊體材料的工藝與性能研究[D]. 李俊鑫.大連理工大學 2016
[2]垂直傳熱對矩形液池內熱毛細對流的影響[D]. 張鴻儒.重慶大學 2010
[3]金屬粉末選擇性激光熔化成形模擬及試驗研究[D]. 李佳桂.華中科技大學 2007
[4]激光快速原型三維溫度場仿真及其熱應變計算[D]. 熊文平.湖南大學 2004
本文編號：3585838
【文章來源】：南京理工大學江蘇省 211工程院校
【文章頁數(shù)】：131 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
圖１．１傳統(tǒng)陶瓷生產工藝流程??
陶瓷是一種無機非金屬材料，按原料特征分為普通陶瓷和特種陶瓷ｍ。特種陶瓷是??陶瓷的重要分支，又分為功能陶瓷和結構陶瓷兩大類，其中結構陶瓷一般由單一或復合??的氧化物或非氧化物組成，如單一的Ａ１２０３、Ｚｒ０２、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４等材料，或相互復合，或??與碳纖維結合而成｜２１，具有耐高溫、耐腐蝕、高硬度和高強度等優(yōu)異的性能，可以用于??制造耐磨、耐高溫的特殊構件１３］，例如陶瓷發(fā)動機和熱端部件［４’５］等。??ｎａ瞧雋??原料的和貯＊?粉狀潘合抖的？制?成型?饒結?加工??圖１．１傳統(tǒng)陶瓷生產工藝流程??現(xiàn)有傳統(tǒng)結構陶瓷的生產工藝一般分為五個階段，即原料的購置和貯藏，粉狀混合??料的預制，成型，燒結和加工，如圖１．１所示。成型和燒結是整個生產過程的兩個關鍵工??序，但成型中的磨耗和燒結中的收縮易導致陶瓷件具有尺寸誤差。另外，由于陶瓷材料??硬度大，一般機械加工的陶瓷件表面質量較差；超聲技術也可以加工陶瓷件，但是刀具??易磨損，加工效率低、成本高，并且機械加工和超聲加工都很難加工形狀復雜的產品｜６１，??特別是個性化、輕量化的產品，如圖１．２所示的渦輪葉片，限制了其在航空、航天和軍事??等行業(yè)的應用。為滿足復雜、個性化陶瓷零部件的快速研制需求，傳統(tǒng)陶瓷材料制造技??術亟待發(fā)展。??Ｉ纖??（ａ）陶瓷渦輪葉片?（ｂ）陶瓷渦輪葉片組??圖１．２陶瓷渦輪葉片??增材制造技術是？種先進的新興制造技術，能夠實現(xiàn)陶瓷部件的快速制造，可以彌??補和克服傳統(tǒng)陶瓷加工工藝難以制造復雜結構件的不足。換言之，増材制造技術可以作??１??
公司預測，到２０２７年陶瓷增材制造的市場有望達到１０億美元［７］。??陶瓷材料的增材制造己經引起國內外研究者、企業(yè)和政府的密切關注。２０１４年，據??報道通用公司在應用第四代碳纖維制成的陶瓷基復合材料（Ｃｅｒａｍｉｃ?Ｍａｔｒｉｘ?Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ，??ＣＭＣ）?３Ｄ打印超聲速噴氣發(fā)動機的葉片［８］。２０１５年，法國３ＤＣＥＲＡＭ公司歷經十多年研??發(fā)，發(fā)布了工業(yè)級陶瓷３Ｄ打印機一Ｃｅｒａｍａｋｅｒ［９］。２０１６年１月美國加州ＨＲＬ實驗室３Ｄ打印??高溫陶瓷技術公布于《科學》雜志，圖１．３是該實驗室打印的耐高溫陶瓷部件ｎ（）］。２０１７??年，ＮＡＳＡ進一步資助了ＨＲＬ的科研人員推進３Ｄ打印陶瓷增強火箭部件的發(fā)展。同年，??哈佛科學家研發(fā)出超輕質的３Ｄ打印陶瓷泡沫油墨，將應用于醫(yī)療、建筑等行業(yè)［１１］。２０１７??年，我國印發(fā)《增材制造（３Ｄ打�。┊a業(yè)發(fā)展行動計劃（２０１７－２０２０年）》，明確提出提升陶??瓷增材制造專用材料質量研究［１２］。??圖１．３美國ＨＲＬ實驗室３Ｄ打印的陶瓷部件??１．２陶瓷增材制造研宄現(xiàn)狀??近三十年來，增材制造（Ａｄｄｉｔｉｖｅ?Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，?ＡＭ）技術迅速發(fā)展［１３＇?１４１，陶瓷??增材制造技術正逐漸引起重視。從國內外總體研究現(xiàn)狀來看［￣１８］，本文認為陶瓷增材制??造技術可分為陶瓷直寫（Ｃｅｒａｍｉｃ?Ｄｉｒｅｃｔ?Ｐｒｉｎｔｉｎｇ，?ＣＤＰ）技術、光聚合（Ｐｈｏｔｏｐｏｌｙｍｅｒｉｓａｔｉｏｎ）??打印技術、陶瓷３Ｄ打印粉床技術以及其它陶瓷增材制造技術四大類，如圖１．４所示。??今陶瓷直寫技術屬于“液體噴射技術”，是一種采用噴頭沉積陶瓷材料的增材制造??技術，主要
【參考文獻】：
期刊論文
[1]激光選區(qū)熔化設備發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J]. 宋長輝,翁昌威,楊永強,王迪,李陽. 機電工程技術. 2017(10)
[2]墨水直寫、噴墨打印和激光直寫技術及其在微電子器件中的應用[J]. 陳燎,唐興偉,周涵,范同祥. 材料導報. 2017(09)
[3]陶瓷3D打印技術的研究與進展[J]. 李亞運,司云暉,熊信柏,鄒繼兆,曾燮榕. 硅酸鹽學報. 2017(06)
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[6]激光大尺度3維動態(tài)聚焦掃描加工系統(tǒng)研究[J]. 李東華,鄧磊敏,段軍,曾曉雁,游欣易. 激光技術. 2016(04)
[7]掃描策略對金屬粉末選區(qū)激光熔化溫度場的影響[J]. 陳德寧,劉婷婷,廖文和,張長東,張凱. 中國激光. 2016(04)
[8]陶瓷材料增材制造技術研究進展[J]. 周汝垚,帥茂兵,蔣馳. 材料導報. 2016(01)
[9]應用于陶瓷材料的快速成型技術的發(fā)展[J]. 左開慧,姚冬旭,夏詠鋒,尹金偉,曾宇平. 中國材料進展. 2015(12)
[10]鈦及鈦合金粉末近凈成形技術研究進展[J]. 王濤,龍劍平,楊紹利,方霖,仲利. 鈦工業(yè)進展. 2015(05)
博士論文
[1]激光選區(qū)熔化微尺度熔池特性與凝固微觀組織[D]. 周鑫.清華大學 2016
[2]選擇性激光熔覆氧化鋁/氧化鋯共晶陶瓷材料的實驗研究[D]. 劉治.第四軍醫(yī)大學 2015
碩士論文
[1]激光近凈成形316L不銹鋼塊體材料的工藝與性能研究[D]. 李俊鑫.大連理工大學 2016
[2]垂直傳熱對矩形液池內熱毛細對流的影響[D]. 張鴻儒.重慶大學 2010
[3]金屬粉末選擇性激光熔化成形模擬及試驗研究[D]. 李佳桂.華中科技大學 2007
[4]激光快速原型三維溫度場仿真及其熱應變計算[D]. 熊文平.湖南大學 2004
本文編號：3585838
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