氧化铝粉末激光烧结/冷等静压/固相烧结复合成形研究

摘要

结构陶瓷因耐高温、超硬度、高强度等优点广泛应用于机械、航空航天等领域，正因为这些特点，传统成形方法难以制造复杂陶瓷零件。选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）技术是一种较新的成形复杂陶瓷形坯的方法，但其成形件有多孔、强度低等缺陷。利用SLS和冷等静压（Cold Isostatic Pressing，CIP）的复合工艺成形密度较高的复杂陶瓷形坯是一种很有前景的方法，再结合固相烧结（Solid State Sintering，SSS）技术能制造高致密度的复杂陶瓷件。目前，国际上对陶瓷的该复合成形研究尚处于初步阶段，成形的陶瓷件致密度有待提高，且相关研究不重视复合成形精度的控制。
　　为此，本文拟以难加工结构陶瓷Al2O3为对象，研究并完善Al2O3粉末的SLS/CIP/SSS复合成形工艺，并创新性的实现该复合成形的数值模拟研究。本文主要围绕以下方面进行了研究，并取得了相应成果：
　　（1）以粒径为80-120μm的Al2O3造粒粉为基体，环氧树脂E-06为粘结剂，通过机械混合制备SLS用Al2O3/环氧树脂E-06复合粉末，其中粘结剂含量为8％；并优化SLS工艺参数，制造出复杂的Al2O3形坯。
　　（2）研究了CIP和SSS工艺参数对零件致密化过程和性能的影响，并优化了主要工艺参数为：CIP压力320MPa、保压时间5min、SSS烧结温度1600℃、保温时间4h、升温速率5℃/h。最终制造了致密度高达94.5％的纯净的Al2O3陶瓷零件，这一结果高于国内外同等工艺制造陶瓷零件的水平。另外，利用该复合工艺制造了无明显缺陷的齿轮形零件和有流道结构的高致密度Al2O3陶瓷零件，证明利用SLS/CIP/SSS的复合工艺制造高密度复杂的陶瓷零件是可行的。
　　（3）在有限元平台Abaqus上，利用修正的Cam-Clay和Drucker-Prager/Cap（DPC）模型模拟SLS成形的长方体和齿轮零件在CIP过程的形变、收缩与致密化行为。CIP模拟结果与实验结果相当吻合，在SLS成形面内，两种模型模拟与实验相对误差分别小于2.26％和1.7％。证明了用这两种模型模拟Al2O3零件的CIP过程是可行且准确的。
　　（4）基于对SLS零件的CIP过程的数值模拟，研究了包套对CIP过程的影响并通过优化零件结构来提高CIP工艺成形精度。研究表明包套对零件的CIP致密化过程有遮蔽作用，诱导零件的扭曲变形并阻碍密度的均匀化分布；零件增设圆角结构能减少零件变形，提高CIP工艺成形精度，促进零件密度分布均匀化；此外，可以通过数值模拟得到最优的圆角大小，优化CIP的成形精度与性能。
　　（5）建立了修正的SOVS模型，嵌入到Abaqus的用户子程序中，利用该模型模拟CIP零件在SSS中的致密化过程、变形、收缩及晶粒长大现象。模拟和实验误差在1.5％以内，说明该模型能够准确的预测零件在烧结过程中的变形及收缩。研究结果表明SSS能有效缩小零件内部整体的相对密度差异；最后，模拟得到烧结后最大晶粒尺寸为2.556μm，最小晶粒尺寸为2.008μm，通过软件计算得到实验条件下平均晶粒大小为2.42μm，与模拟结果相差不大，证明了该模型能较准确的模拟CIP零件在烧结过程中的晶粒长大现象，为烧结零件的微观结构与性能研究提供可靠的依据。
　　综上所述，本文通过对Al2O3粉末的SLS/CIP/SSS复合成形工艺的研究，证明了该工艺制造高密度复杂的陶瓷零件的可行性；本文还创新性的实现了该复合成形的数值模拟，较准确的预测了SLS成形件在CIP和SSS工艺中的变形、尺寸收缩、致密化行为以及微观结构的演变规律，能有效的指导零件结构与工艺的设计，提高复合成形精度，达到近净成形的目的，为难加工结构陶瓷的该复合成形奠定理论和技术基础。

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1 绪论

1.1 选择性激光烧结技术

1.2 冷等静压技术

1.3 固相烧结技术

1.4 国内外研究现状

1.5 课题来源、目的、研究意义与主要研究内容

2 激光烧结/冷等静压/固相烧结复合成形研究方法及路线

2.1 激光烧结/冷等静压/固相烧结复合成形工艺路线

2.2 激光烧结/冷等静压/固相烧结复合成形数值模拟路线

2.3 本章小结

3 激光烧结/冷等静压/固相烧结复合成形工艺研究

3.1 复合粉末材料的选择、制备与表征

3.2 Al2O3陶瓷复合粉末的激光烧结工艺研究

3.3 激光烧结件的冷等静压工艺研究

3.4 冷等静压零件的脱脂工艺研究

3.5 冷等静压零件的固相烧结工艺研究

3.6 本章小结

4 Al2O3激光烧结件的冷等静压/固相烧结数值模拟研究

4.1 引言

4.2 Al2O3激光烧结件的冷等静压数值模拟研究

4.3 Al2O3冷等静压零件的固相烧结数值模拟研究

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 全文总结

5.2 研究展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表论文的目录

附录2 攻读硕士学位期间撰写专利的目录