技术领域
[0001] 本
发明涉及一种刀具制造技术，尤其涉及一种激光近净成形Al2O3基共晶陶瓷刀具。
背景技术
[0002] 切削加工占整个制造业加工中比例为80％-85％,在国内更高达90％，
切削刀具的每一次技术变革，都会引领制造业加工技术的一次飞跃。当代
机械加工发展总趋势为高效率、高
精度、高柔性和强化环境意识，陶瓷刀具以良好的红硬性和化学
稳定性适用于高速干式切削，可加工硬质
合金难以加工的高硬材料，并可实现以车代磨、以铣代抛，原料广、节约贵金属以降低成本等优势逐步进入刀具市场，其中Al2O3基陶瓷刀具与
铁族金属
亲和性小，抗
氧化能
力强，在切削过程中月牙洼磨损小，可实现干式高速切削加工淬硬
钢和高硬镍，广泛应用于军事国防和航空航天中的
涡轮叶片、
曲轴、
连杆的加工制造，因此Al2O3基陶瓷刀具的增强增韧成为研究热点。
[0003] 目前，制备Al2O3基陶瓷刀具按材料分类主要有纯Al2O3(牌号P1)、Al2O3—
碳化物系(牌号M16/SG3)、Al2O3—TiC—金属系(牌号AT6/LT35)、Al2O3—SiC系(牌号JX-1/WG300)、Al2O3—(Ti/W)C系(牌号FG2)，生产方式主要有
冷压法
烧结(CP)、
热压法烧结(HP)、热
等静压法(HIP)、SHS
冶金技术法，历经碳化物颗粒增韧、SiC晶须增韧、功能梯度增韧、复合纳米增韧。激光近净成形法(LENS)采用激光超高温熔粉，快速冷凝制备Al2O3基共晶陶瓷刀具，晶粒及共晶间距可达百
纳米级，利用纳米和
相变协同增韧原理，有效提高Al2O3基陶瓷刀具的韧性和强度。有关报道如下：
[0004] 南京理工大学
申请号为201510779093.7的申请
专利介绍了一种Al2O3/Ti(C/N)复合陶瓷刀具材料及其
微波烧结工艺，利用微波烧结系统制备了Al2O3/Ti(C/N)复合陶瓷刀具材料，但由于微波本身的特性
微波炉腔体中场强往往不均匀，微波烧结过程中刀具材料的加热速度非常迅速，不均匀的微波场将导致在刀具材料内部不同的部位获得不同的微波
能量，出现很大的
温度梯度导致刀具材料开裂。
[0005] 青岛唐鹏钢结构工程有限公司申请号为201510904497.4的申请专利介绍了一种耐热型陶瓷刀具，其所制备的Al2O3基陶瓷刀具红硬性能较好但韧性和强度较低，刀具容易发生破损，降低刀具寿命和生产效率。
发明内容
[0006] 本发明为解决传统陶瓷刀具在高温条件下的
断裂韧性差、抗弯强度低等问题，提供一种高效优质且加工柔性强的一种激光近净成形Al2O3基共晶陶瓷刀具的方法，不但可以提高传统陶瓷刀具的红硬性和化学稳定性，而且由于激光近净成形制备方式提高了陶瓷刀具的韧性和强度，其原因在于：
[0007] 1、激光近净成形法(LENS)采用激光超高温熔粉，快速冷凝制备Al2O3基共晶陶瓷刀具，共晶结构均匀且晶粒及共晶间距可达百纳米量级，利用纳米和相变协同增韧原理，有效提高Al2O3基陶瓷刀具的韧性和强度；
[0008] 2、Al2O3基共晶陶瓷组织细小且
缺陷少，共晶组织呈相互交缠的三维网络状结构，相界面结合良好，不存在高温下容易
变形的非晶相，不能发生
晶界相对滑移，应变只能通过晶内位错变形协调，具有较高的强度和韧性，可有效提高传统陶瓷刀具的耐用度。
[0009] 本发明的技术方案：
[0010] 一种激光近净成形Al2O3基共晶陶瓷刀具的方法，步骤如下：
[0011] 该方法所用的系统为激光近净成形系统；
[0012] (1)成形
基板和陶瓷粉末的预处理：将陶瓷粉末干燥，成形基板采用与Al2O3基共晶陶瓷
热膨胀系数相近的材料，成形前用
砂纸打磨并依次用丙
酮、
乙醇、去离子
水清洗、吹干；所述陶瓷粉末为Al2O3/ZrO2，Al2O3
质量分数54.5～60.5％；Al2O3/SiC，Al2O3质量分数86～
92％；或Al2O3/Si3N4，Al2O3质量分数92～98％。
[0013] (2)成形参数的设置：设置激光功率
密度为104～105W/cm2，送粉量为0.025～0.095g/cm，每层4～9道，每道3～5cm，成形30～50层后，每层2～7道，每道1～3cm，成形10～
30层；
[0014] (3)打开惰性气体为激光近净成形Al2O3基共晶陶瓷刀具提供送粉动力和气体保护；
[0015] (4)先后启动送粉器和
激光器对复合陶瓷粉末进行激光近净成形，成形过程中通过改变送粉器不同粉筒的送粉转速，以控制各陶瓷粉末的送粉量，最终实现一定质量配比的Al2O3基共晶陶瓷刀具；
[0016] (5)成形结束按先后顺序关闭激光器、送粉器、惰性气体。
[0017] 所述的Al2O3基共晶陶瓷刀具为多道多层成形工艺，前
角γ0＝0°～10°，后角α0＝5°～10°，刃倾角λ0＝-5°～-10°，刀尖圆弧半径rc＝0.2～1mm。
[0018] 与
现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0019] 1、本发明中所采用的制备方法与以往报道的方法相比，Al2O3基共晶陶瓷刀具在增强传统陶瓷刀具韧性的
基础上，硬度和强度都能得到进一步提高，特别是在陶瓷材料熔点附近仍保持非常高的强度、硬度和抗蠕变性，可有效抑制在干式高速切削条件下，刀具的破损和裂纹缓慢长大导致刀具材料性能退化，表现出优异的
热稳定性，提升刀具寿命和生产效率；
[0020] 2、本发明中所采用的制备方法与以往报道的方法相比，激光近净成形制备刀具过程中冷却速度更快，成形尺寸精度较高，易于得到更加细密均匀的共晶组织，有利于结构件力学性能的提高，增强刀具的耐摩擦磨损性能。
附图说明
[0021] 图1是激光近净成形系统示意图。
[0022] 图2是Al2O3-ZrO2共晶陶瓷刀具SEM微观组织示意图。
[0023] 图中：1工业计算机；2激光器；3光纤；4-1送粉器的粉桶A；4-2送粉器的粉桶B；4-3送粉器的粉桶C；5惰性气体；6激光加工头；7成形刀具；8基板。
具体实施方式
[0024] 下面结合附图和
实施例对本发明进行进一步说明。
[0025] 实施例1
[0026] 采用Nd:YAG固体连续激光器对Al2O3和ZrO2陶瓷粉末进行激光近净成形，具体成形步骤如下：
[0027] A、实验前基板8用砂纸打磨并依次用丙酮、乙醇、去离子水清洗、吹干，选择直径为40～90μm的Al2O3和ZrO2陶瓷粉末，将粉末放至电热式鼓
风干燥箱中100℃下干燥5h，调整基板8使同轴送粉的粉末流焦点处于基板的表面，同时保证粉末流焦点与激光光斑重合，以最大程度地提高粉末利用率，然后将Al2O3粉末放入4-1送粉器的粉筒A中，将ZrO2陶瓷粉末放入4-2送粉器的粉筒B中；
[0028] B、打开惰性气体5为激光近净成提供送粉动力及气体保护，调整送粉气压为0.2MPa，流量为5L/min，保护气压为0.1MPa，流量为15L/min，先后启动4-1送粉器的粉筒A、
4-2送粉器的粉筒B和激光器2，送粉器粉筒A及粉筒B的送粉转速利用相应变量的赋值来分别控制，以保证一定质量配比的Al2O3基共晶陶瓷刀具；
[0029] C、设置激光功率密度105W/cm2，送粉量为0.075g/cm，每层7道，每道4cm，成形40层后，每层5道，每道3cm，成形15层；
[0030] D、先后启动送粉器4和激光器2对复合陶瓷粉末进行激光近净成形，成形过程中通过改变送粉器4不同粉筒的送粉转速，以控制各陶瓷粉末的送粉量，最终实现实一定质量配比的Al2O3基共晶陶瓷刀具；
[0031] E、成形结束按先后顺序关闭激光器、送粉器、惰性气体。
[0032] 实施例2
[0033] 采用Nd:YAG固体连续激光器对Al2O3和SiC陶瓷粉末进行激光近净成形，具体成形步骤如下：
[0034] A、实验前基板8用砂纸打磨并依次用丙酮、乙醇、去离子水清洗、吹干，选择直径为40～90μm的Al2O3和SiC陶瓷粉末，将粉末放至电热式鼓风干燥箱中100℃下干燥5h，调整基板8使同轴送粉的粉末流焦点处于基板的表面，同时保证粉末流焦点与激光光斑重合，以最大程度地提高粉末利用率，然后将Al2O3粉末放入4-1送粉器的粉筒A中，将SiC陶瓷粉末放入
4-2送粉器的粉筒B中；
[0035] B、打开惰性气体5为激光近净成提供送粉动力及气体保护，调整送粉气压为0.2MPa，流量为5L/min，保护气压为0.1MPa，流量为15L/min，先后启动4-1送粉器的粉筒A、
4-2送粉器的粉筒B和激光器2，送粉器粉筒A及粉筒B的送粉转速利用相应变量的赋值来分别控制，以保证一定质量配比的Al2O3基共晶陶瓷刀具；
[0036] C、设置激光功率密度104W/cm2，送粉量为0.055g/cm，每层6道，每道3.5cm，成形30层后，每层4道，每道2cm，成形20层；
[0037] D、先后启动送粉器4和激光器2对复合陶瓷粉末进行激光近净成形，成形过程中通过改变送粉器4不同粉筒的送粉转速，以控制各陶瓷粉末的送粉量，最终实现实一定质量配比的Al2O3基共晶陶瓷刀具；
[0038] E、成形结束按先后顺序关闭激光器、送粉器、惰性气体。
[0039] 实施例3
[0040] 采用Nd:YAG固体连续激光器对Al2O3和Si3N4陶瓷粉末进行激光近净成形，具体成形步骤如下：
[0041] A、实验前基板8用砂纸打磨并依次用丙酮、乙醇、去离子水清洗、吹干，选择直径为40～90μm的Al2O3和Si3N4陶瓷粉末，将粉末放至电热式鼓风干燥箱中100℃下干燥5h，调整基板8使同轴送粉的粉末流焦点处于基板的表面，同时保证粉末流焦点与激光光斑重合，以最大程度地提高粉末利用率，然后将Al2O3粉末放入4-1送粉器的粉筒A中，将Si3N4陶瓷粉末放入4-2送粉器的粉筒B中；
[0042] B、打开惰性气体5为激光近净成提供送粉动力及气体保护，调整送粉气压为0.2MPa，流量为5L/min，保护气压为0.1MPa，流量为15L/min，先后启动4-1送粉器的粉筒A、
4-2送粉器的粉筒B和激光器2，送粉器粉筒A及粉筒B的送粉转速利用相应变量的赋值来分别控制，以保证一定质量配比的Al2O3基共晶陶瓷刀具；
[0043] C、设置激光功率密度5×104W/cm2，送粉量为0.04g/cm，每层4道，每道3cm，成形30层后，每层2道，每道1cm，成形10层；
[0044] D、先后启动送粉器4和激光器2对复合陶瓷粉末进行激光近净成形，成形过程中通过改变送粉器4不同粉筒的送粉转速，以控制各陶瓷粉末的送粉量，最终实现实一定质量配比的Al2O3基共晶陶瓷刀具；
[0045] E、成形结束按先后顺序关闭激光器、送粉器、惰性气体。
