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4 cm,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。