激光直接沉積技術(shù)可以實現(xiàn)氧化鋁陶瓷粉末快速無模成形,生產(chǎn)周期短,制造工藝簡單,但陶瓷成形件的成形缺陷嚴重制約著該技術(shù)的發(fā)展。本文首先基于工藝參數(shù)研究沉積過程的熔池溫度特性,然后對熔池溫度與成形件的表面尺寸缺陷、孔隙缺陷和裂紋缺陷等成形缺陷的相關(guān)性進行分析,最后通過調(diào)控熔池溫度為實現(xiàn)氧化鋁陶瓷的高質(zhì)量成形提供理論支持。在不同工藝參數(shù)條件下利用比色高溫計實時監(jiān)測單層成形件成形過程的熔池溫度,發(fā)現(xiàn)送粉速率、掃描速度和光斑直徑分別與熔池溫度呈負相關(guān),激光功率與熔池溫度呈正線性相關(guān),通過改變激光功率可以快速準確地調(diào)節(jié)熔池溫度。測量單層成形件的寬度和厚度后發(fā)現(xiàn):單層成形件的寬度與光斑直徑和熔池溫度有關(guān),光斑直徑越小寬度越小,熔池溫度越低寬度越小;單層成形件的厚度與熔池溫度和粉末質(zhì)量密度有關(guān),熔池溫度越低厚度越大,粉末質(zhì)量密度越大厚度越大,且截面外形由圓弧形變?yōu)閳A形;成形過程加速階段的熱累積導(dǎo)致單層成形件起始端的寬度和厚度較大,致使單層成形件寬度和厚度不均勻。多層薄壁件是單層成形件以單層提升量向上逐層堆積而成,單層成形件的表面尺寸缺陷會導(dǎo)致薄壁件兩端與中間出現(xiàn)高度偏差。熔池溫度較低時,薄壁件呈現(xiàn)中間低兩端高的外形;熔池溫度較高時,薄壁件呈現(xiàn)中間高兩端低的外形。利用比色高溫計、sbRIO-9627嵌入式控制器以及LabVIEW軟件搭建熔池溫度PID閉環(huán)控制系統(tǒng),然后在控制過程中手動整定PID參數(shù)獲得最優(yōu)的PID參數(shù)。最優(yōu)的參數(shù)為:比例系數(shù)為2.1,積分時間常數(shù)為1,微分時間常數(shù)為0。熔池溫度設(shè)定為2640℃時通過熔池溫度控制薄壁件的中間高兩端低的外形得到改善。利用光學(xué)顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)薄壁件內(nèi)部孔隙分為層內(nèi)氣孔、層間孔隙和頂層縮孔�？紫度毕菀詫觾�(nèi)氣孔為主,主要來源于卷入熔池表面的送粉氣體、保護氣體以及粉末制備時粉末顆粒內(nèi)部的殘留氣體。通過減小送粉氣體流量抑制氣體來源和適當提高熔池溫度加快氣體逸出,孔隙缺陷減少,孔隙率最小可達到1.4%左右。薄壁件表面有宏觀裂紋并通過切割后發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有宏觀裂紋和微裂紋,隨著熔池溫度提高薄壁件內(nèi)部的熱應(yīng)力得到釋放,裂紋缺陷減少。論文通過分析熔池溫度與成形缺陷的相關(guān)性,發(fā)現(xiàn)熔池溫度控制可以有效減少成形缺陷,對激光直接沉積高質(zhì)量氧化鋁陶瓷具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。
【學(xué)位單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN249;TQ174.6
【部分圖文】：

逡逑圖１．１陶瓷傳統(tǒng)制備技術(shù)逡逑陶瓷間接成形邐邐逡逑邐邋「丨二二－二二二－丨——？邋￣￣逡逑陶瓷粉體制備一ｒｉ—邋陶瓷坯體３Ｄ成型邋一＊？燒結(jié)」■［－—后處理一＾成品逡逑邐ｒｕ：邋＿邋二二－ＣＴＵｒｊｍ邋——１＿＿逡逑—？陶瓷激光直接成形—逡逑圖１．２陶瓷先進制備技術(shù)逡逑表１．１常見的陶瓷增材制造技術(shù)介紹逡逑陶瓷增材制造技術(shù)成形方法邐特點逡逑分層實體制造技術(shù)邐激光功率小，可加工尺寸較大的實體，無需支撐；難以成逡逑間接成形逡逑（ＬＯＭ）邐形復(fù)雜結(jié)構(gòu)的實體逡逑陶瓷熔融沉積技術(shù)邐無需激光，工藝簡單，操作安全；材料利用率高；成形速逡逑間接成形逡逑（ＦＤＣ）邐度慢，需支撐，精度較低，難以成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)的實體逡逑選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)邐激光功率小，無需支撐，可成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)的實體；表面質(zhì)逡逑間接成形逡逑（ＳＬＳ）邐量較差逡逑三維打印技術(shù)邐無需激光，操作安全，精度較高；工藝復(fù)雜，成形時間較逡逑間接成形逡逑（３ＤＰ）邐長逡逑激光直接材料沉積激光直接激光功率大，操作危險，工作環(huán)境差；成形零件致密度較逡逑技術(shù)（ＤＭＤ）邐成形邐高，性能較好，成形速度快；成形精度較低，熱應(yīng)力較大逡逑激光近凈成形技術(shù)激光直接激光功率大

分層模型所獲得的數(shù)據(jù)，制造過程中激光將單面涂有熱熔膠的陶瓷薄膜按軌跡切逡逑割，再通過熱壓輥將切割后的薄膜加熱加壓使其與下面的已切割層粘結(jié)在一起，逡逑隨后依次通過逐層切割和粘合最終形成預(yù)定形狀的陶瓷坯體，其原理如圖１．３所示。逡逑通過熱粘結(jié)成形的陶瓷陶瓷坯體一般強度很低，后續(xù)需去除坯體內(nèi)的粘結(jié)劑和進逡逑行燒結(jié)后處理。逡逑光學(xué)器件邐，器逡逑＼邐人逡逑ｗ邋定位逡逑邐邐邐逡逑十宇形的逡逑圖層輪悉邐邐邐邐邋■逡逑平臺■一＇一逡逑圖１．３分層實體制造技術(shù)原理圖［１４１逡逑陶瓷溶融沉積技術(shù)［１６＇Ｉ９］邋（Ｆｕｓｅｄ邋ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｃｅｒａｍｉｃｓ，簡稱ＦＤＣ）基于溶融沉逡逑積成型技術(shù)（Ｆｕｓｅｄ邋Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ邋Ｍｏｄｅｌｉｎｇ，簡稱ＦＤＭ），采用的原料為陶瓷粉末和有逡逑機黏結(jié)劑混合制備的絲狀材料，沉積過程中熱熔噴頭按ＣＡＤ分層數(shù)據(jù)控制的軌跡逡逑移動，移動過程中熱熔噴頭將陶瓷絲料擠出并熔化后沉積在預(yù)定的位置上凝固，逡逑如此逐層沉積獲得特定形狀的陶瓷生坯，其原理如圖１．４所示。陶瓷熔融沉積過程逡逑中熱熔噴頭沒有施加成型壓力

分層模型所獲得的數(shù)據(jù)，制造過程中激光將單面涂有熱熔膠的陶瓷薄膜按軌跡切逡逑割，再通過熱壓輥將切割后的薄膜加熱加壓使其與下面的已切割層粘結(jié)在一起，逡逑隨后依次通過逐層切割和粘合最終形成預(yù)定形狀的陶瓷坯體，其原理如圖１．３所示。逡逑通過熱粘結(jié)成形的陶瓷陶瓷坯體一般強度很低，后續(xù)需去除坯體內(nèi)的粘結(jié)劑和進逡逑行燒結(jié)后處理。逡逑光學(xué)器件邐，器逡逑＼邐人逡逑ｗ邋定位逡逑邐邐邐逡逑十宇形的逡逑圖層輪悉邐邐邐邐邋■逡逑平臺■一＇一逡逑圖１．３分層實體制造技術(shù)原理圖［１４１逡逑陶瓷溶融沉積技術(shù)［１６＇Ｉ９］邋（Ｆｕｓｅｄ邋ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｃｅｒａｍｉｃｓ，簡稱ＦＤＣ）基于溶融沉逡逑積成型技術(shù)（Ｆｕｓｅｄ邋Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ邋Ｍｏｄｅｌｉｎｇ，簡稱ＦＤＭ），采用的原料為陶瓷粉末和有逡逑機黏結(jié)劑混合制備的絲狀材料，沉積過程中熱熔噴頭按ＣＡＤ分層數(shù)據(jù)控制的軌跡逡逑移動，移動過程中熱熔噴頭將陶瓷絲料擠出并熔化后沉積在預(yù)定的位置上凝固，逡逑如此逐層沉積獲得特定形狀的陶瓷生坯，其原理如圖１．４所示。陶瓷熔融沉積過程逡逑中熱熔噴頭沒有施加成型壓力

【參考文獻】

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1 牛方勇;吳東江;石龍飛;馬廣義;張W毨

本文編號：2825857