陶瓷粉末激光燒結(jié)-冷等靜壓復(fù)合成形技術(shù)研究.pdf

1、選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering,SLS)通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造，基于分層疊加的原理，將粉末材料直接成形任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)三維實(shí)體零件，它是增材制造(Additive Manufacturing,AM)領(lǐng)域中極具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)之一。由于陶瓷零件應(yīng)用領(lǐng)域廣且價(jià)值高，因而利用SLS技術(shù)制造陶瓷零件一直是AM領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，但是,到目前為止，通過(guò)SLS成形陶瓷零件，仍存在致密度低、力學(xué)性能與制造精度差等問(wèn)題，而且

2、在粉末材料制備、成形工藝與機(jī)理、高溫?zé)Y(jié)等方面的研究還不夠系統(tǒng)，因而尚無(wú)法滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)高性能陶瓷零件的增材制造。
　　針對(duì)上述背景，本研究以制造高致密、高性能及高精度陶瓷零件為目標(biāo)，系統(tǒng)地研究了SLS用陶瓷復(fù)合粉末的制備方法，并將冷等靜壓（Cold Isostatic Pressing，CIP）技術(shù)引入SLS領(lǐng)域，結(jié)合后續(xù)脫脂及高溫?zé)Y(jié)（Furnace Sintering，F(xiàn)S）工藝，形成陶瓷零件的SLS/CIP/FS復(fù)合成形制造

3、技術(shù)。選取造粒Al2O3粉末、納米ZrO2粉末、高白土粉末為研究對(duì)象，涵蓋了現(xiàn)代陶瓷中的造粒粉末和納米粉末，以及傳統(tǒng)陶瓷用粘土材料，對(duì)SLS/CIP/FS技術(shù)在其它種類陶瓷的應(yīng)用具有普適性。采用SLS/CIP/FS技術(shù)制造上述三種典型陶瓷材料的零件或制品，通過(guò)DSC差熱分析、TG熱重分析、SEM、X射線衍射（XRD）、彎曲強(qiáng)度及維氏硬度等手段研究陶瓷試樣的SLS/CIP/FS致密化機(jī)理、收縮率、顯微形貌與力學(xué)性能；基于修正的Cam-Cl

4、ay、Drucker-Prager/Cap及SOVS模型，以Al2O3為例，在Abaqus有限元分析平臺(tái)上對(duì)SLS陶瓷件在CIP和FS兩個(gè)工藝環(huán)節(jié)的尺寸變化等行為進(jìn)行數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較和優(yōu)化，為進(jìn)一步提高陶瓷零件SLS/CIP/FS復(fù)合成形的制造精度奠定基礎(chǔ)。主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)論如下：
　?。?）研究了Al2O3-聚乙烯醇（Polyvinyl Alcohol，PVA）-非晶態(tài)高聚物環(huán)氧樹脂E06（Epoxy R

5、esin E06，ER6）復(fù)合粉末的制備、SLS/CIP/FS成形、致密化及性能特點(diǎn)。針對(duì)Al2O3陶瓷的材料特性和市場(chǎng)特點(diǎn)，采取覆膜和混合相結(jié)合的方法，制備了Al2O3-PVA-ER6粉末，得到了優(yōu)化的激光成形工藝參數(shù)（激光功率、掃描間距、掃描速度、單層層厚和預(yù)熱溫度）分別為21W、100μm、1600mm/s、150μm和53℃；在較優(yōu)的SLS工藝基礎(chǔ)上，分析了不同的CIP保壓壓力對(duì)Al2O3的SLS形坯尺寸、致密度等影響規(guī)律，綜合

6、考慮成形效率和成形性能，確定了合理的CIP保壓壓力為200MPa；由PVA、ER6的TG曲線，確定合適的熱脫脂方法；根據(jù)Al2O3陶瓷材料的高溫?zé)Y(jié)特點(diǎn)，進(jìn)行了高溫?zé)Y(jié)實(shí)驗(yàn)，確定了合理的工藝保溫溫度及時(shí)間，分別為1650℃和120min；采用優(yōu)化的的SLS/CIP/FS成形工藝參數(shù)，制造了Al2O3陶瓷件，其相對(duì)密度、彎曲強(qiáng)度分別達(dá)到了92％和175MPa。
　?。?）研究了納米ZrO2陶瓷復(fù)合粉末的制備方法、SLS/CIP/FS

7、成形及其性能特點(diǎn)。采用晶態(tài)高聚物硬脂酸和尼龍12兩種粘結(jié)劑，通過(guò)溶劑蒸發(fā)法和溶劑沉淀法制取了兩種SLS納米陶瓷復(fù)合材料。確定了相應(yīng)最佳SLS成形激光能量密度值分別是0.264J/mm2和0.415J/mm2；根據(jù)熱脫脂機(jī)理以及粘接劑的TG曲線，分別制定了合理的熱脫脂工藝；在相同的冷等靜壓和高溫?zé)Y(jié)條件下，確定了包覆尼龍12的納米ZrO2粉末SLS/CIP/FS成形件相對(duì)密度和維氏硬度較高，分別達(dá)到了97％和1180HV1，徑向和軸向收縮

8、率分別為58.1％和67.8％。
　?。?）將SLS/CIP/FS方法和傳統(tǒng)的“彩陶”工藝相結(jié)合，利用高白土粉末制造了傳統(tǒng)陶瓷工藝制品。研究了激光能量密度對(duì)SLS/CIP/FS成形各環(huán)節(jié)高白土形坯收縮率和致密度的演變規(guī)律及作用機(jī)理，確定了激光能量密度為0.3575J/mm2最佳；利用SEM、XRD等手段，研究了高溫?zé)Y(jié)溫度對(duì)試樣的收縮率、致密度及維氏硬度的影響規(guī)律，即隨燒結(jié)溫度增加，高白土試樣致密度逐步增加，而收縮率和維氏硬度先增

9、加后減小，當(dāng)T=1350℃時(shí)，高白土維氏硬度達(dá)到855.8HV1，當(dāng)T=1450℃時(shí)，高白土相對(duì)密度達(dá)到97％。最終，利用優(yōu)化的工藝參數(shù)，對(duì)經(jīng)脫脂的SLS/CIP高白土制品上彩釉后高溫?zé)Y(jié)，獲得了“黃鴨”陶瓷制品。
　　（4）基于修正的粘土Cam-Clay、Drucker-Prager/Cap及粘塑性SOVS模型，并以Al2O3為例，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得Al2O3材料的靜水壓應(yīng)力-體積塑性應(yīng)變特性曲線和燒結(jié)收縮率隨時(shí)間、溫度變化的熱膨脹曲

10、線，在Abaqus有限元分析平臺(tái)上對(duì)SLS陶瓷件在CIP和FS兩個(gè)工藝環(huán)節(jié)的尺寸變化等行為進(jìn)行數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，模擬誤差控制在8％和2％以內(nèi)，為進(jìn)一步提高陶瓷零件SLS/CIP/FS復(fù)合成形的精度奠定了基礎(chǔ)。
　　綜上所述，本研究采用SLS/CIP/FS方法成形Al2O3、ZrO2、高白土三種典型陶瓷材料零件，可為其它陶瓷的成形提供借鑒，促進(jìn)了SLS技術(shù)向高密度、高性能和高精度復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷零件制造方向的延伸