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1、陶瓷粉末材料的选择性激光烧结技术探讨谢开才（黄石理工学院机电工程学院，黄石市，435000）摘要：综述了烧结过程、烧结原动力，研究了选区激光烧结复合陶瓷粉末的烧结性能。结果表明，通过合理控制激光工艺参数，能顺利实现粉末烧结成形，且无明显的“球化”效应和翘曲变形。扫描电镜分析证实，此复合粉末体系的激光烧结是基于液相烧结机制，表面自由能的改变是其烧结的原动力。关键词：快速原型；选择性激光烧结；陶瓷粉末引言快速成形是基于离散堆积成型原理，集成了计算机，数控，激光，新材料等技术发展起来由 CAD 模型直接驱动，快速制造任意复杂形状的三维物理实体的 。它由五个步骤组成：CAD 模型设计，z 向离散13技
2、 术化，层面信息处理，层面加工与粘结，层层堆积。其具有重要征是：（1）高度柔性可以制造任意复杂形状的三维实体 ；（2）CAD 模型直接驱动，无需人员干预或较少干预，是一种自动化的成型过程；（3）成17型的快速性，适合现代激烈竞争的产品市场；（4）技术的高度集成性。选择性激光烧结成型中，根据成型用陶瓷粉末的不同，人们不仅开发出通过多种工艺来实现复合陶瓷的烧结成型，主要途径是利用陶瓷粉末和有机粘接剂粉末共混粉体的间接烧结，陶瓷粉末与有机粘结剂粉末均匀共混，在烧结中，低熔点的粘结剂粉末融化并将高熔点的陶瓷粉末粘结，形成原件，经过后处理烧失粘结剂，形成“褐件” ，最后通过高温烧结工艺得到致密的陶瓷件1
3、SLS 的烧结原理激光选择性烧结快速成型技术是使用激光束熔 段化或烧结粉末材料，利用分层的思想，把计算机中的CAD 模型直接成型为三维实体零件 。其创新之处在于将激光、光学、温度控制和材料相联系。烧结过程16可分为三部分：(1)首先在粉体床上铺一薄层粉体，并压实，可以根据需要，在激光烧结前进行预热； (2)激光照射粉体层，烧结粉体，形成所设计零件一层的形状；(3)粉体床下降一个薄层厚度的距离；重复上面的过程，直到原型零件完成。SLS 对粉末烧结的优势在于：材料适应面广，不仅用于制造塑料零件，还能制造石蜡、金属等材料；工艺无需支撑，简单；烧结路线、烧结温度便于控制，易于实现液相烧结，烧结周期比较
4、短；材料利用率高，具有高度的柔性，零件构建时间短，使得其具有吸引力。2 烧结的基本过程粉末经 SLS 烧结后，烧结体的强度增加。烧结时，在粉末体内，由于高温的作用，原子的运动加剧，使有更多的原子进入的接触面，形成粘结面。随着粘结面的扩大，烧结体的强度提高，同时形成烧结颈，使原来的颗粒界面形成晶粒界面，晶界向颗粒内部移动，导致晶粒的长大。随着烧结颈的长大，总孔隙体积的减少，颗粒间的距离缩短，烧结体的致密化才真正开始。其过程可分为三个界限不是很明显的阶段：1)开始阶段颗粒间的原始接触点或接触面结体。在整个液相烧结过程中，烧结体密度的提高是烧结成形的标志。选择性激光烧结陶瓷粉末涉及复杂的化学冶金和物
5、理冶金过程，原始粉末特性和激光工艺参数共同影响和决定烧结致密化过程和烧结件微观特征，两者的作用相辅相成。本文作者在制备 SLS 专用复合陶瓷粉末的基础上，选取合适的激光工艺参数对其进行烧结实验，结合对烧结试样显微组织的分析，优化粉末组分；并探讨陶瓷粉末 SLS 致密化机理，提出控制工艺缺陷、改善烧结性方法 。134方 法3 粉末材料的物理性能对陶瓷质量的影响粉末材料的物理性能包括粒度，颗粒形貌，粒度分布，熔点，比热等 。粉末材料的这些性质15对烧结件成型性(所谓成型性是指粉末材料适合选择性激光烧结的难易程度和获得合格原型件或功能件的能力)有着重大的影响，处理不好，不仅会影响成型质量，甚至会导致
6、整个工艺无法进行。3.1 粉末粒度的影响粉末粒度亦即粉末颗粒的大小，是指用一般方法不易分开的粉末的最小单位，从理论上用直径尺寸来表征。它一般具有多晶结构，只有极细粉末才可能出现单晶颗粒讲，粉末粒度越小越好，粒度越小，比表面积越大，颗粒的缺陷也越多。而比表面积与烧结驱动力有关，比表面积越大，烧结驱动力越大，从而越有利于烧结进行。而且颗粒越小，颗粒之间的空隙越小，层与层之间的连接越紧密，越有利于提高烧结密度和烧结强度。粉末粒度最直接的影响是铺粉厚度，铺粉厚度至少要大于两倍以上的粉末颗粒直径，否则不能铺出均匀密实的粉层，致使烧结无法进行。一般铺粉厚度为 0.150.2，粒度最大为 0.1mm 因此，
7、粒度最大末粒度有越来越细的发展趋势 。并非粒度越细越好，7粒度太细，虽在较小的激光能量下就能迅速熔化，但不利于铺粉，粉末容易扬起和粘上铺粉滚筒，使粉层厚度不匀，不利于烧结。粉末越细越容易聚团，这里需要加入分散剂来处理。实验证明，当粉末达到 74 um 时就会出现团聚现象。同时，粉末越细价格越高，所得烧结件的成本就会越高。当然，不同的材料对粒度的要求不尽相同。对烧结活性高的粉末可选择粗一点的；对难以烧结的粉末则需更细的粒度才能达到相同的烧结效果。3.2 细粗颗粒配比的影响细粗颗粒两种组元以恰当的配比使用，才能起到所期望的效果，否则可能使烧结无法进行。加入细粉末有两个作用，其一起到粘结剂的作用，因
8、为细粉末受热比大颗粒容易熔化，熔化以后以液态形式填充到大颗粒中，把大颗粒连接起来。从而可以适当减少粘结剂的使用比例，来减少烧结件的收缩。其二可增加粉末密度，因为细颗粒填充到大颗粒的空隙中，提高了粉末的紧实度，从而可减少烧结成型件的空隙，提高强度，为后处理奠定基础。细粗颗粒从理论上讲有一个最佳比例即 rR=0.141，以下证明之。实际使用的粉末的形貌大都以球形为主，所以证明时认为颗粒为球形，颗粒之间两两相切。经计算，细粗颗粒尺寸可以变化，但它们之间的比例是一个常数，要保持不变，这样有利于烧结 。63.3 颗粒形貌的影响粉末的颗粒形貌决定粉末鳃工艺性能从面决定粉末的烧结性能，用不同方法制造的粉末其
9、形貌有所不同。常见的颗粒形貌有：球形，树枝形，针状，粒状，片状等，一般使用地是球形 。球形颗粒流动4 5球 形性好，有利于铺粉。但球形颗粒之间两两相切堆积密度小，空隙大，使烧结件的相对密度小，影响成型质量。这也是为什么需要粗细颗粒搭配的一个原因。实际使用中，粒度与形貌常常并不统一，比如球形颗粒中有粒状、片状等其他形貌的颗粒，由于制粉的原因，粒度也大小不一，这反而能提高堆积密度，从而对烧结有利。但实际上粉末中大小粒度与各种形貌并不能合理搭配，需要人为地加入其他形貌颗粒进行搭配，以期实现不同颗粒的优化组合，提高烧结质量。若单独使用球形颗粒，就要考虑加入针状、片状颗粒来提高成型密度。但加入量要适度，
10、以免影响粉末流动性。3.4 粒度分布的影响粒度分布是指大小不同的颗粒的相对含量，也称之为粒度组成 。粒度分布对成型质量有很大影响，812成如果分布不合适，在直接激光烧结中会出现球化现象，影响表面光洁度，降低强度，使层与层是受热熔化的液相不能很好的浸润大颗粒粉末，而是收缩成球。球化的发生与粒度小的颗粒的量有关。从理论上小颗粒与大颗粒的体积比应为 7.1%，实际常取 10左右，实验证明超过 15就会发生球化现象。在间接烧结中，粘结剂的比例也应取相似数值 。183.5 纯度的影响材料纯度直接影响能否成型和成型质量。烧结金属粉时，若粉末含有杂质，在烧结中杂质可能与基体金属粉末发生化学反应，使烧结无法进
11、行或者使烧结件改变了属性。若烧结粉末为氧化铝陶瓷，纯度不高会影响使用性能。使其高温稳定性恶化。纯度太高，可能会使烧结困难，纯度越高烧结温度越高 。氧化铝中20的杂质实际上间接起到了活化剂的作用，适当的杂质有利于烧结。笔者试验用的氧化铝纯度为 4N-5N，烧结温度达到 1550，保温 4 小时，就能达到预定效果。4 激光功率对烧结层的影响由实验可知在相同扫描速度和层厚的情况下，激光功率的增加有助于烧结质量的提升，当激光功率从小增加到适当的过程中烧结层从不充分烧结到充分烧结形成致密层结，当激光功率在增大时就会形成过烧现象。其原因是功率较低时，粉体吸收能量不足，只有一部分溶凝，另一部分还处于粉末状态
12、，粘接力不足，无法形成良好的致密烧结线 。随着功率的提升粉体吸收能量充分，形成良好的烧结线，进而烧结出平整，21均匀的烧结层。当功率在增加时，熔池稍大，在凝固收缩时吸收了烧结线边缘的部分粉体，使相邻的扫描线没有足够的粉体参与烧结，造成了过烧现象。5 扫描速度对烧结层质量的影响由实验可知在相同的激光功率和层厚下，相对较小的扫描速度有利于形成均匀，平整的烧结层。实验表面如果扫描速度过大，烧结不完全，不能形成良好的烧结成。当扫描速度过小时，激光在粉体表面停留的时间相对延长，融化的粉体增多，凝固时收缩较大，容易裂开，同样不利于形成良好的烧结层 。196 铺粉厚度对烧结层的影响当其他参数一定时，烧结质量
13、随铺粉层厚度的增加而降低。实验表面，当烧结层适中时，烧结过程中没有飞溅现象，烧结层表面细致光滑，烧结层质均匀，平整性较好。当烧结层过厚时，由于非晶体的陶瓷材料在熔凝成型过程中对温度非常敏感，加上陶瓷材料传热性能不好，使粉体中形成上下两层温度带，上层粉体在激光作用下形成熔池，将下层未烧结的疏松粉体封闭在内，气体受热迅速膨胀，爆裂，烧结过程中出现明显飞溅现象，同时球化现象严重，烧结线无法连续 。2展望今后选择性激光烧结技术在陶瓷制造中的发展方向，将主要集中在以下几个方面。成型设备的开发与改进。以提高成型件的表面质量、尺寸精度、机械性能 。后处理工艺的优化。利用 SLS 虽然可以直接成型陶瓷19零件
14、，但是成型件的机械性能还不能很好满足直接使用要求。陶瓷零件经过处理其性能明显可以得到改善，但是对尺寸精度有所影响。这就需要优化现有的后处理工艺以提高陶瓷的综合质量。增加烧结材料和改善材料的综合性能。目前用于 SLS 技术的陶瓷材料还比较少，需要增加烧结材料的研究，以完善烧结理论。探索 SLS 技术与传统加工，其他特种加工技术相结合的多种加工手段综合工艺，为陶瓷零件的制造提供新的技术手段。参考文献1韩召.陶瓷材料的选区激光烧结快速成型技术研究进展J. 无机材料学报2004，(4)：07072王盘鑫.粉末冶金学M北京：冶金工业出版社 1997，58593果世驹.粉末烧结理论M北京：冶金工业出版社，
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