氧化鋁粉末激光燒結(jié)-冷等靜壓-固相燒結(jié)復(fù)合成形研究.pdf

1、結(jié)構(gòu)陶瓷因耐高溫、超硬度、高強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于機(jī)械、航空航天等領(lǐng)域，正因?yàn)檫@些特點(diǎn)，傳統(tǒng)成形方法難以制造復(fù)雜陶瓷零件。選擇性激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering，SLS）技術(shù)是一種較新的成形復(fù)雜陶瓷形坯的方法，但其成形件有多孔、強(qiáng)度低等缺陷。利用SLS和冷等靜壓（Cold Isostatic Pressing，CIP）的復(fù)合工藝成形密度較高的復(fù)雜陶瓷形坯是一種很有前景的方法，再結(jié)合固相燒結(jié)（Solid Stat

2、e Sintering，SSS）技術(shù)能制造高致密度的復(fù)雜陶瓷件。目前，國(guó)際上對(duì)陶瓷的該復(fù)合成形研究尚處于初步階段，成形的陶瓷件致密度有待提高，且相關(guān)研究不重視復(fù)合成形精度的控制。
　　為此，本文擬以難加工結(jié)構(gòu)陶瓷Al2O3為對(duì)象，研究并完善Al2O3粉末的SLS/CIP/SSS復(fù)合成形工藝，并創(chuàng)新性的實(shí)現(xiàn)該復(fù)合成形的數(shù)值模擬研究。本文主要圍繞以下方面進(jìn)行了研究，并取得了相應(yīng)成果：
　　（1）以粒徑為80-120μm的Al2O

3、3造粒粉為基體，環(huán)氧樹脂E-06為粘結(jié)劑，通過(guò)機(jī)械混合制備SLS用Al2O3/環(huán)氧樹脂E-06復(fù)合粉末，其中粘結(jié)劑含量為8％；并優(yōu)化SLS工藝參數(shù)，制造出復(fù)雜的Al2O3形坯。
　?。?）研究了CIP和SSS工藝參數(shù)對(duì)零件致密化過(guò)程和性能的影響，并優(yōu)化了主要工藝參數(shù)為：CIP壓力320MPa、保壓時(shí)間5min、SSS燒結(jié)溫度1600℃、保溫時(shí)間4h、升溫速率5℃/h。最終制造了致密度高達(dá)94.5％的純凈的Al2O3陶瓷零件，這一結(jié)

4、果高于國(guó)內(nèi)外同等工藝制造陶瓷零件的水平。另外，利用該復(fù)合工藝制造了無(wú)明顯缺陷的齒輪形零件和有流道結(jié)構(gòu)的高致密度Al2O3陶瓷零件，證明利用SLS/CIP/SSS的復(fù)合工藝制造高密度復(fù)雜的陶瓷零件是可行的。
　?。?）在有限元平臺(tái)Abaqus上，利用修正的Cam-Clay和Drucker-Prager/Cap（DPC）模型模擬SLS成形的長(zhǎng)方體和齒輪零件在CIP過(guò)程的形變、收縮與致密化行為。CIP模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)吻合，在SLS

5、成形面內(nèi)，兩種模型模擬與實(shí)驗(yàn)相對(duì)誤差分別小于2.26％和1.7％。證明了用這兩種模型模擬Al2O3零件的CIP過(guò)程是可行且準(zhǔn)確的。
　?。?）基于對(duì)SLS零件的CIP過(guò)程的數(shù)值模擬，研究了包套對(duì)CIP過(guò)程的影響并通過(guò)優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)來(lái)提高CIP工藝成形精度。研究表明包套對(duì)零件的CIP致密化過(guò)程有遮蔽作用，誘導(dǎo)零件的扭曲變形并阻礙密度的均勻化分布；零件增設(shè)圓角結(jié)構(gòu)能減少零件變形，提高CIP工藝成形精度，促進(jìn)零件密度分布均勻化；此外，可以

6、通過(guò)數(shù)值模擬得到最優(yōu)的圓角大小，優(yōu)化CIP的成形精度與性能。
　?。?）建立了修正的SOVS模型，嵌入到Abaqus的用戶子程序中，利用該模型模擬CIP零件在SSS中的致密化過(guò)程、變形、收縮及晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象。模擬和實(shí)驗(yàn)誤差在1.5％以內(nèi)，說(shuō)明該模型能夠準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)零件在燒結(jié)過(guò)程中的變形及收縮。研究結(jié)果表明SSS能有效縮小零件內(nèi)部整體的相對(duì)密度差異；最后，模擬得到燒結(jié)后最大晶粒尺寸為2.556μm，最小晶粒尺寸為2.008μm，通過(guò)軟件

7、計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)條件下平均晶粒大小為2.42μm，與模擬結(jié)果相差不大，證明了該模型能較準(zhǔn)確的模擬CIP零件在燒結(jié)過(guò)程中的晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象，為燒結(jié)零件的微觀結(jié)構(gòu)與性能研究提供可靠的依據(jù)。
　　綜上所述，本文通過(guò)對(duì)Al2O3粉末的SLS/CIP/SSS復(fù)合成形工藝的研究，證明了該工藝制造高密度復(fù)雜的陶瓷零件的可行性；本文還創(chuàng)新性的實(shí)現(xiàn)了該復(fù)合成形的數(shù)值模擬，較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)了SLS成形件在CIP和SSS工藝中的變形、尺寸收縮、致密化行為以及微觀結(jié)