陶瓷器件激光切割自由成形工艺探讨

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：图2-25 陶瓷膜用激光切割自由成形机粘接、切割陶瓷膜而成的工件为陶瓷生坯件，它的强度很低，需进行后处理，即去除粘结剂和烧结致密化。表2-4 抗弯强度比较图2-27 激光切割自由成形的陶瓷件图2-27是激光切割自由成形的陶瓷件。单相陶瓷件强度为400MPa，复合陶瓷件为500MPa。采用Al2O3制作了三种零件：法兰盘、三层结构的陶瓷片和液流增幅器，并得到实用。

用激光切割自由成形机制作陶瓷器件时，原材料不是底面涂覆热熔胶的纸，而是陶瓷膜（见图2-25），膜由容积占55％～60％的陶瓷粉和粘结剂组成，一般用传统的流延法（tape casting）制备。制备过程是：首先，陶瓷浆料从料斗下部流至向前移动的薄膜载体之上形成膜坯，其厚度由刮刀控制；然后，膜坯连同载体进入热风烘干室烘干，烘干温度必须在浆料中溶剂的沸点之下，否则会使膜坯出现气泡，或由于湿度梯度太大而产生裂纹；从烘干室出来的膜坯中还保留一定的溶剂，连同载体一同绕成卷待用，并在存储过程中使膜坯中的溶剂分布均匀，消除湿度梯度。

图2-25 陶瓷膜

用激光切割自由成形机粘接、切割陶瓷膜而成的工件为陶瓷生坯件，它的强度很低，需进行后处理，即去除粘结剂和烧结致密化。粘结剂的去除温度根据陶瓷膜中所含高分子材料的热解温度而定，为防止生坯件层间的开裂和变形，需将陶瓷生坯件埋在粉末中，并施以压力。粉末不仅对陶瓷生坯件起到支撑作用，而且还使压力分布均匀。去除粘结剂后的陶瓷生坯件为多孔状，若采用普通的烧结方法将使工件产生较大的收缩，可采用反应烧结法来减少收缩。反应烧结法又称活化烧结或强化烧结，它是通过添加物的作用，使反应与烧结同时进行的一种烧结方法。与普通烧结法比较，反应烧结法烧成的制品不收缩，尺寸不变化。

由于陶瓷膜呈现脆性而不能形成连续卷料，而且强度较低，不足以承受成形机的进给运动，所以目前膜的铺设多半还依赖于手工操作。

表2-2是一种制作生物陶瓷膜的浆料配方，可以用流延法将其制成厚度为125～250μm的陶瓷膜。

表2-2 生物陶瓷膜的浆料配方

用激光束切割、粘接上述陶瓷膜后构成质量分数为25％有机成分的陶瓷生坯件（见图2-26），其密度可达理论密度的95％～98％，尺寸精度可高达±0.025mm。然后再进行后处理：①为在后处理中保持生坯件的形状不变，首先将生坯件置于圆柱形盒中，然后填入玉米粉，并用锤捣实，再将其置于温度与压力可控的压力机上，使温度上升，以便去除生坯件中的可挥发溶剂。施加压力的作用是减少生坯件脱层的可能性。此后，从粉床中取出陶瓷半成品，粘接在其上的剩余玉米粉能在随后的烧结工序中因氧化而去除。②进行多阶段的粘结剂烧除循环，以便去除主要的聚合物粘结剂与增塑剂，上述循环过程如表2-3所示。

图2-26 激光切割自由成形的陶瓷生坯件（舟骨）

表2-3 烧除与烧结循环

（续）

经过上述处理的工件的累计收缩率仅约5％，大大小于典型固态烧结工艺的收缩率（约15％）。表2-4是用激光切割自由成形的陶瓷件与自然骨、羟基磷灰石等的抗弯强度比较。

表2-4 抗弯强度比较（单位：MPa）

图2-27 激光切割自由成形的陶瓷件

图2-27是激光切割自由成形的陶瓷件。

Lone Peak公司的E.Alair Griffin等采用LOM技术制备了ZrO₂和Al₂O₃陶瓷件^［10]，陶瓷膜厚为116μm和58μm，膜的材料体系为12mol％CeO₂-ZrO₂和Ce-ZrO₂／Al₂O₃。烧结后产品中存在＜1％气孔，无粗大裂纹缺陷。单相陶瓷件强度为400MPa，复合陶瓷件为500MPa。Ce-ZrO₂层硬度为9GPa，Al₂O₃／Ce-ZrO₂层硬度为15GPa，界面附近硬度为11.5GPa。

凯斯西储大学的JamesD.Cawley等采用CAM-LEM（Computer-Aided Manufacturing of Laminated Engineering Materials）技术制作陶瓷件^［10]，其成形原理与LOM技术相同，适用材料包括工程陶瓷、复合材料、金属及合金材料、塑料材料等。采用Al₂O₃制作了三种零件：法兰盘、三层结构的陶瓷片和液流增幅器，并得到实用。

陶瓷器件激光切割自由成形工艺探讨

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