陶瓷粉末材料的选择性激光烧结成型技术探讨.doc

陶瓷粉末材料的选择性激光烧结技术探讨 谢开才 （黄石理工学院机电工程学院，黄石市，435000） 摘要：综述了烧结过程、烧结原动力，研究了选区激光烧结复合陶瓷粉末的烧结性能。结果表明，通过合理控制激光工艺参数，能顺利实现粉末烧结成形，且无明显的“球化”效应和翘曲变形。扫描电镜分析证实，此复合粉末体系的激光烧结是基于液相烧结机制，表面自由能的改变是其烧结的原动力。 关键词：快速原型；选择性激光烧结；陶瓷粉末 引言 快速成形是基于离散堆积成型原理，集成了计算机，数控，激光，新材料等技术发展起来由CAD模型直接驱动，快速制造任意复杂形状的三维物理实体的。它由五个步骤组成：CAD模型设计，z向离散化，层面信息处理，层面加工与粘结，层层堆积。其具有重要征是：（1）高度柔性可以制造任意复杂形状的三维实体；（2）CAD模型直接驱动，无需人员干预或较少干预，是一种自动化的成型过程；（3）成型的快速性，适合现代激烈竞争的产品市场；（4）技术的高度集成性。选择性激光烧结成型中，根据成型用陶瓷粉末的不同，人们不仅开发出通过多种工艺来实现复合陶瓷的烧结成型，主要途径是利用陶瓷粉末和有机粘接剂粉末共混粉体的间接烧结，陶瓷粉末与有机粘结剂粉末均匀共混，在烧结中，低熔点的粘结剂粉末融化并将高熔点的陶瓷粉末粘结，形成原件，经过后处理烧失粘结剂，形成“褐件”，最后通过高温烧结工艺得到致密的陶瓷件 1SLS的烧结原理 激光选择性烧结快速成型技术是使用激光束熔 段化或烧结粉末材料，利用分层的思想，把计算机中的CAD模型直接成型为三维实体零件。其创新之处在于将激光、光学、温度控制和材料相联系。烧结过程可分为三部分：(1)首先在粉体床上铺一薄层粉体，并压实，可以根据需要，在激光烧结前进行预热；(2)激光照射粉体层，烧结粉体，形成所设计零件一层的形状；(3)粉体床下降一个薄层厚度的距离；重复上面的过程，直到原型零件完成。SLS对粉末烧结的优势在于：材料适应面广，不仅用于制造塑料零件，还能制造石蜡、金属等材料；工艺无需支撑，简单；烧结路线、烧结温度便于控制，易于实现液相烧结，烧结周期比较短；材料利用率高，具有高度的柔性，零件构建时间短，使得其具有吸引力。 2烧结的基本过程 粉末经SLS烧结后，烧结体的强度增加。烧结时，在粉末体内，由于高温的作用，原子的运动加剧，使有更多的原子进入的接触面，形成粘结面。随着粘结面的扩大，烧结体的强度提高，同时形成烧结颈，使原来的颗粒界面形成晶粒界面，晶界向颗粒内部移动，导致晶粒的长大。随着烧结颈的长大，总孔隙体积的减少，颗粒间的距离缩短，烧结体的致密化才真正开始。其过程可分为三个界限不是很明显的阶段：1)开始阶段——颗粒间的原始接触点或接触面结体。在整个液相烧结过程中，烧结体密度的提高是烧结成形的标志。选择性激光烧结陶瓷粉末涉及复杂的化学冶金和物理冶金过程，原始粉末特性和激光工艺参数共同影响和决定烧结致密化过程和烧结件微观特征，两者的作用相辅相成。本文作者在制备SLS专用复合陶瓷粉末的基础上，选取合适的激光工艺参数对其进行烧结实验，结合对烧结试样显微组织的分析，优化粉末组分；并探讨陶瓷粉末SLS致密化机理，提出控制工艺缺陷、改善烧结性方法。 3粉末材料的物理性能对陶瓷质量的影响 粉末材料的物理性能包括粒度，颗粒形貌，粒度分布，熔点，比热等。粉末材料的这些性质 对烧结件成型性(所谓成型性是指粉末材料适合选择性激光烧结的难易程度和获得合格原型 件或功能件的能力)有着重大的影响，处理不好，不仅会影响成型质量，甚至会导致整个工艺无法进行。 3.1 粉末粒度的影响 粉末粒度亦即粉末颗粒的大小，是指用一般方法不易分开的粉末的最小单位，从理论上用直径尺寸来表征。它一般具有多晶结构，只有极细粉末才可能出现单晶颗粒讲，粉末粒度越小越好，粒度越小，比表面积越大，颗粒的缺陷也越多。而比表面积与烧结驱动 力有关，比表面积越大，烧结驱动力越大，从而越有利于烧结进行。而且颗粒越小，颗粒之间的空隙越小，层与层之间的连接越紧密，越有利于提高烧结密度和烧结强度。粉末粒度最直接的影响是铺粉厚度，铺粉厚度至少要大于两倍以上的粉末颗粒直径，否则不能铺出均匀密实的粉层，致使烧结无法进行。一般铺粉厚度为0.15～0.2，粒度最大为0.1mm因此，粒度最大末粒度有越来越细的发展趋势。并非粒度越细越好，粒度太细，虽在较小的激光能量下就能迅速熔化，但不利于铺粉，粉末容易扬起和粘上铺粉滚筒，使粉层厚度不匀，不利于烧结。粉末越细越容易聚团，这里需要加入分散剂来处理。实验证明，当粉末达到74 um时就会出现团聚现象。同时，粉末越细价格越高，所得烧结件的成本就会越高。当然，不同的材料对粒度的要求不尽相同。对烧结活性高的粉末可选择粗一点的；对难以烧结的粉末则需更细的粒度才能达到相同的烧结效果。