氧化鋁粉末激光燒結-冷等靜壓-固相燒結復合成形研究.pdf

1、結構陶瓷因耐高溫、超硬度、高強度等優(yōu)點廣泛應用于機械、航空航天等領域，正因為這些特點，傳統(tǒng)成形方法難以制造復雜陶瓷零件。選擇性激光燒結（Selective Laser Sintering，SLS）技術是一種較新的成形復雜陶瓷形坯的方法，但其成形件有多孔、強度低等缺陷。利用SLS和冷等靜壓（Cold Isostatic Pressing，CIP）的復合工藝成形密度較高的復雜陶瓷形坯是一種很有前景的方法，再結合固相燒結（Solid Stat

2、e Sintering，SSS）技術能制造高致密度的復雜陶瓷件。目前，國際上對陶瓷的該復合成形研究尚處于初步階段，成形的陶瓷件致密度有待提高，且相關研究不重視復合成形精度的控制。
　　為此，本文擬以難加工結構陶瓷Al2O3為對象，研究并完善Al2O3粉末的SLS/CIP/SSS復合成形工藝，并創(chuàng)新性的實現該復合成形的數值模擬研究。本文主要圍繞以下方面進行了研究，并取得了相應成果：
　?。?）以粒徑為80-120μm的Al2O

3、3造粒粉為基體，環(huán)氧樹脂E-06為粘結劑，通過機械混合制備SLS用Al2O3/環(huán)氧樹脂E-06復合粉末，其中粘結劑含量為8％；并優(yōu)化SLS工藝參數，制造出復雜的Al2O3形坯。
　?。?）研究了CIP和SSS工藝參數對零件致密化過程和性能的影響，并優(yōu)化了主要工藝參數為：CIP壓力320MPa、保壓時間5min、SSS燒結溫度1600℃、保溫時間4h、升溫速率5℃/h。最終制造了致密度高達94.5％的純凈的Al2O3陶瓷零件，這一結

4、果高于國內外同等工藝制造陶瓷零件的水平。另外，利用該復合工藝制造了無明顯缺陷的齒輪形零件和有流道結構的高致密度Al2O3陶瓷零件，證明利用SLS/CIP/SSS的復合工藝制造高密度復雜的陶瓷零件是可行的。
　　（3）在有限元平臺Abaqus上，利用修正的Cam-Clay和Drucker-Prager/Cap（DPC）模型模擬SLS成形的長方體和齒輪零件在CIP過程的形變、收縮與致密化行為。CIP模擬結果與實驗結果相當吻合，在SLS

5、成形面內，兩種模型模擬與實驗相對誤差分別小于2.26％和1.7％。證明了用這兩種模型模擬Al2O3零件的CIP過程是可行且準確的。
　?。?）基于對SLS零件的CIP過程的數值模擬，研究了包套對CIP過程的影響并通過優(yōu)化零件結構來提高CIP工藝成形精度。研究表明包套對零件的CIP致密化過程有遮蔽作用，誘導零件的扭曲變形并阻礙密度的均勻化分布；零件增設圓角結構能減少零件變形，提高CIP工藝成形精度，促進零件密度分布均勻化；此外，可以

6、通過數值模擬得到最優(yōu)的圓角大小，優(yōu)化CIP的成形精度與性能。
　?。?）建立了修正的SOVS模型，嵌入到Abaqus的用戶子程序中，利用該模型模擬CIP零件在SSS中的致密化過程、變形、收縮及晶粒長大現象。模擬和實驗誤差在1.5％以內，說明該模型能夠準確的預測零件在燒結過程中的變形及收縮。研究結果表明SSS能有效縮小零件內部整體的相對密度差異；最后，模擬得到燒結后最大晶粒尺寸為2.556μm，最小晶粒尺寸為2.008μm，通過軟件

7、計算得到實驗條件下平均晶粒大小為2.42μm，與模擬結果相差不大，證明了該模型能較準確的模擬CIP零件在燒結過程中的晶粒長大現象，為燒結零件的微觀結構與性能研究提供可靠的依據。
　　綜上所述，本文通過對Al2O3粉末的SLS/CIP/SSS復合成形工藝的研究，證明了該工藝制造高密度復雜的陶瓷零件的可行性；本文還創(chuàng)新性的實現了該復合成形的數值模擬，較準確的預測了SLS成形件在CIP和SSS工藝中的變形、尺寸收縮、致密化行為以及微觀結