[发明专利]激光快速成形表面气氛加热炉

说明书

技术领域

本发明涉及高性能材料激光快速成形制备领域，具体是一种实现高熔点、大热应力材料的激光快速成形表面气氛加热炉。

背景技术

氧化物陶瓷具有高熔点、良好的高温强度、抗氧化性和抗腐蚀性，适于长期在高温氧化性气氛下工作。然而，迄今为止氧化物陶瓷材料的主要制备技术仍是粉末烧结法。由于粉末烧结陶瓷材料均为多晶组织，通常无法得到单晶组成相，陶瓷颗粒、基体和其他组成相(如增强相或增韧相)以及各组成相之间均存在着大量的弱连接界面，显微组织的均匀性和稳定性以及材料的孔隙率均难以控制，导致陶瓷材料高温力学性能锐减，极大的限制了陶瓷材料在超高温条件下的应用。定向凝固技术能够使材料的组织按特定方向排列，获得定向及单晶结构，从而明显改善材料的力学和物理性质，已被广泛应用于航空发动机叶片、激光晶体、红外晶体以及高温金属间化合物。氧化物共晶自生陶瓷是将定向凝固技术应用于高性能陶瓷，制备的材料具有优异的高温强度、热稳定性、抗蠕变特性及高温抗氧化性，是近年来发展的有望在1650℃以上恶劣环境下长期使用的超高温结构材料。因此，发展新的定向凝固技术和装置并拓展其应用是目前共晶陶瓷领域发展的方向。

然而，氧化物陶瓷的熔点大都在1800℃以上，目前的定向凝固设备普遍难以实现超高温以获得陶瓷熔体，坩埚(Ir贵金属)成本非常高且为一次性使用；此外，陶瓷的热导率与金属相比较低，凝固设备的温度梯度较低(＜100K/cm)，难以获得高的冷却速度，易导致组织粗大，性能劣化。激光具有非常高的能量密度，能够快速熔化非常高熔点的材料，用于定向凝固时固液界面温度梯度可达10³～10⁴K/cm数量级，远高于常规技术的10¹～10²K/cm数量级。激光快速成形技术是一种利用高能激光束对金属或非金属材料进行激光表面熔化与无界面快速热传导自淬火激冷快速定向凝固，不仅可以直接获得具有快速凝固组织特征和特殊物理化学及力学性能的表层材料外，而且可以实现高性能复杂结构零件的无模具、快速、全致密近净成形，具有熔炼温度高、温度梯度高、凝固速率控制精度高、材料和环境适应性广泛、无污染等特点，已受到国内外众多学者的高度重视。例如西北工业大学凝固技术国家重点实验室苏海军，张军等人采用激光区熔定向凝固技术制备了Al₂O₃/YAG共晶复合陶瓷，然而由于未预热，成形试样存在裂纹和缺陷，目前仅限于制备较小尺寸的样品。

与金属材料相比，氧化物陶瓷具有非常低的热导率，激光快速凝固过程高的冷却速率通常致使材料在成形过程中产生大的热应力，特别是制备大体积成形时，产品内部产生大量的裂纹甚至开裂，同时在高的冷却速度下，材料内部非平衡相及亚稳相体积分数增加，气孔同时形成，导致高温下材料组织不稳定和力学性能锐减，严重影响了激光快速成形技术在陶瓷材料上的应用，成为激光技术在非金属材料上应用的瓶颈问题。此外，在金属材料激光修复过程中，零件在高能激光束作用下即冷即热，同样容易产生裂纹和缺陷，制约了高精度零件的修复和制造。

最近的研究表明在激光熔化试样的同时对样品下表面进行高温预热，将能有效的消除试样快速凝固时产生的热应力，从而抑制裂纹和缺陷的产生。然而目前通常的高温炉主要是用于难熔材料的烧结制备，且烧结是在封闭的环境中进行，无法引入激光，难以与激光快速成形技术结合使用。此外，激光加工时仅需要对试样下表面进行一定的预热，而目前的烧结炉的发热体是在炉体的侧面，是对试样整体进行加热，难以形成一定的温度梯度，使得材料的组织偏大，影响材料的性能。

发明内容

为克服目前激光快速成形过程中材料内部易产生裂纹和气孔或者脆性材料开裂，减小材料内部热应力和缺陷，提高成形样品的质量和使用性能，本发明提出了一种激光快速成形表面气氛加热炉。