氧化铝陶瓷激光直接沉积的熔池温度与成形缺陷研究

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激光直接沉积技术可以实现氧化铝陶瓷粉末快速无模成形,生产周期短,制造工艺简单,但陶瓷成形件的成形缺陷严重制约着该技术的发展。本文首先基于工艺参数研究沉积过程的熔池温度特性,然后对熔池温度与成形件的表面尺寸缺陷、孔隙缺陷和裂纹缺陷等成形缺陷的相关性进行分析,最后通过调控熔池温度为实现氧化铝陶瓷的高质量成形提供理论支持。  在不同工艺参数条件下利用比色高温计实时监测单层成形件成形过程的熔池温度,发现送粉速率、扫描速度和光斑直径分别与熔池温度呈负相关,激光功率与熔池温度呈正线性相关,通过改变激光功率可以快速准确地调节熔池温度。  测量单层成形件的宽度和厚度后发现:单层成形件的宽度与光斑直径和熔池温度有关,光斑直径越小宽度越小,熔池温度越低宽度越小;单层成形件的厚度与熔池温度和粉末质量密度有关,熔池温度越低厚度越大,粉末质量密度越大厚度越大,且截面外形由圆弧形变为圆形;成形过程加速阶段的热累积导致单层成形件起始端的宽度和厚度较大,致使单层成形件宽度和厚度不均匀。多层薄壁件是单层成形件以单层提升量向上逐层堆积而成,单层成形件的表面尺寸缺陷会导致薄壁件两端与中间出现高度偏差。熔池温度较低时,薄壁件呈现中间低两端高的外形;熔池温度较高时,薄壁件呈现中间高两端低的外形。利用比色高温计、sbRIO-9627嵌入式控制器以及LabVIEW软件搭建熔池温度PID闭环控制系统,然后在控制过程中手动整定PID参数获得最优的PID参数。最优的参数为:比例系数为2.1,积分时间常数为1,微分时间常数为0。熔池温度设定为2640℃时通过熔池温度控制薄壁件的中间高两端低的外形得到改善。  利用光学显微镜观察发现薄壁件内部孔隙分为层内气孔、层间孔隙和顶层缩孔。孔隙缺陷以层内气孔为主,主要来源于卷入熔池表面的送粉气体、保护气体以及粉末制备时粉末颗粒内部的残留气体。通过减小送粉气体流量抑制气体来源和适当提高熔池温度加快气体逸出,孔隙缺陷减少,孔隙率最小可达到1.4%左右。薄壁件表面有宏观裂纹并通过切割后发现内部有宏观裂纹和微裂纹,随着熔池温度提高薄壁件内部的热应力得到释放,裂纹缺陷减少。  论文通过分析熔池温度与成形缺陷的相关性,发现熔池温度控制可以有效减少成形缺陷,对激光直接沉积高质量氧化铝陶瓷具有重要的理论意义和应用价值。
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