颗粒级配对选区激光烧结打印结合常压固相烧结制备碳化硅陶瓷性能的影响

SiC陶瓷因其独特的热学、电学性能及优异的力学性能,被广泛应用于航空航天、核能、化工、半导体等国防与工业重大领域,但是传统的成型方法无法满足大尺寸复杂构件的制备需求。选区激光烧结(SLS)打印具有无需支撑、材料利用率高、加工效率高等优势,能高效成型复杂陶瓷结构零部件。本研究采用颗粒级配SiC的方法,系统研究了冷等静压(CIP)、前驱体浸渍热解(PIP)、CIP结合PIP后常压固相烧结等工艺对级配和中位径82μm未级配体系SiC陶瓷的影响。研究发现,级配粉末成型坯体的体积密度和抗弯强度比未级配坯体均提升了20%以上,级配体系CIP后常压固相烧结体的相对致密度达到了90%以上,实现了致密化烧结,而未级配体系烧结体的相对致密度仅为89%,这是由颗粒级配后坯体的堆积密度提升所致,且级配烧结体的抗弯强度(136.8 MPa)比未级配(99.4 MPa)提升了37%以上。采用多次重复PIP结合常压固相烧结的方法制备高致密的SiC陶瓷,发现SLS打印成型的坯体经四次PIP后致密度可达到CIP堆积致密的效果,但四次PIP后常压固相烧结体的体积密度仅为2.29 g/cm^(3),抗弯强度为59.6 MPa。

覆膜砂选区激光烧结后处理试验研究

通过在激光烧结成型的覆膜砂试块上粘贴热电偶测温的方式,测量玻璃珠中试块的实际温度随时间的变化曲线,并测试分析相应的试块强度差异,对进一步优化激光烧结砂芯的性能具有实际参考意义。

选区激光烧结技术在复杂流道砂芯中的应用

介绍了选区激光烧结技术生产复杂流道砂芯的整套工艺流程,通过合适的选区激光烧结砂芯结构设计、成形制造工艺及覆膜砂原材料的选择,制造出了结构复杂的整体流道砂芯。原材料采用抗拉强度更高的覆膜宝珠砂、合理的砂芯定位支撑面和砂芯排气通道等措施,更能满足复杂薄壁流道砂芯的实际铸造需求,通过实际生产验证,利用选区激光烧结技术整体制造了复杂流道砂芯,生产的铸件尺寸精度达到CT8级,采用100/200目的覆膜砂原材料,流道表面粗糙度可达Ra 6.9~10μm。

煤矸石/PES复合材料选区激光烧结工艺参数数值模拟

基于高斯热源模型、热传导模型及Flow-3D软件,建立煤矸石、聚醚砜(polyethersulfone,PES)粉末颗粒模型及煤矸石/PES(coal gangue/PES,CPES)复合材料粉末床三维模型,对CPES复合材料选区激光烧结过程进行温度场数值模拟。研究激光功率、扫描速度和扫描间距对单道和双道烧结层成形的影响规律,对烧结工艺参数的取值进行预测,并通过实验进行验证。结果表明:当激光功率为15 W时,熔池平均温度为596 K,烧结件冲击强度为179.4 MPa,熔道较平直,球化现象消失,与粉末结合良好,形成高质量的熔道;当扫描速度为1800 mm/s时,熔池平均深度为99μm、平均宽度为200μm,烧结件冲击强度为173.5 MPa,熔化区域近乎圆形,熔池长度最短,熔道热量累积明显,未发现偏转现象;当扫描间距为100μm时,熔道搭接率为60.8%,烧结件冲击强度为176.2 MPa,两条熔道之间的搭接区域表面过渡光滑且连续,无孔洞和球化现象发生。仿真结果与实验结果一致,可为复合材料烧结件烧结质量的稳定性提供保障。

多组分铜基金属粉末选区激光烧结致密化机理

研究了选区激光烧结专用多组分铜基金属粉末(组分包括纯Cu,预合金CuSn,CuP)的烧结性能。结果表明,通过合理控制激光工艺参数(特别是激光功率和扫描速率),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。扫描电镜和X射线衍射分析证实,此组粉末体系的激光烧结是基于液相烧结机制,其中熔点较低的CuSn充当粘结金属,熔点较高的Cu充当结构金属;而添加元素P则起稀释剂的作用,能避免Cu颗粒表面氧化。研究了粉末体系中粘结金属含量对粉末烧结致密化和烧结件微观组织的影响。结果表明,在一定范围内粘结金属含量的提高有利于改善烧结致密度;但若粘结金属过量,则会因“球化”效应而降低致密度。

陶瓷材料的选区激光烧结快速成型技术研究进展

阐述了陶瓷材料选区激光烧结技术的原理、工艺和特点,着重分析了粉体预处理、激光烧结参数以及坯体后处理等工艺因素对制件精度和性能的影响,还介绍了该技术目前的应用状况以及潜在的应用领域,最后对该项技术研究和发展的趋势作了展望,指出选区激光烧结技术有可能成为本世纪最主要的陶瓷材料成型工艺之一。

多组元金属粉末选区激光烧结三维瞬态温度场模拟

利用Ansys有限元软件,建立了多组元金属粉末选区激光烧结过程中三维瞬态温度场计算模型。在考虑了相变潜热、辐射对流和随温度变化的热物性参数条件下,使用APDL参数化语言实现了高斯热源的施加和热源按一定速率的移动。通过该计算模型可掌握成形过程中烧结温度场随时间的变化规律,进而控制多组元金属粉末选区激光烧结成形机制,避免"球化"效应、翘曲变形等缺陷,为合理选取激光工艺参数提供理论依据。对Ni和Cu-10Sn多组元混合粉末进行了选区激光烧结实验,验证了模拟结果的正确性。

直接金属选区激光烧结热应力场有限元模拟

在考虑随温度变化而变化的热传导、比热容等热物性参数的作用下,建立了直接金属多道烧结的三维有限元分析模型。采用先进行温度场分析、再进行应力场分析的间接热力耦合策略。模拟结果显示,随着烧结过程的进行,由于已烧结部分的影响,最大热应力有减小的趋势;在扫描烧结道的前方有比后方更大的应力分布,这与实验结果相吻合。

核-壳式纳米Al_2O_3/PS复合粒子改性聚苯乙烯的选区激光烧结实验研究

针对纳米粒子易团聚的特点，利用乳液聚合方法制备纳米Al2O3／PS复合粒子。用TEM、FTIR对复合粒子结构进行了表征。结果表明，所制备的复合粒子具备以纳米氧化铝为核、以聚苯乙烯为壳的核一壳式结构，而且包覆层厚度大约为10-20nm。用复合粒子改性选区激光烧结制备聚苯乙烯基纳米复合材料，通过SEM和FE—SEM研究纳米复合材料烧结体的显微结构，发现纳米粒子较好地分散在聚合物基体中，且纳米氧化铝与聚合物基体之间的界面相容性和粘结性较好，烧结体结构较致密。

Ni-CuSn混合粉末选区激光烧结试验

通过对双组分M-CuSn混合粉末进行激光烧结试验,表明此组粉末体系成形机制是粉末半熔化状态下的液相烧结机制。详细讨论了激光工艺参数对成形机制及烧结质量的影响,结果表明,将激光功率和扫描速率控制在适宜的范围内,才可实现预期的成形机制,并获得较好的烧结质量。对烧结件显微组织分析表明,组分Ni和CuSn间存在较为明显的熔点差、及两者之间较高的固溶度,是保证液相烧结机制、获得较高烧结致密度的前提。

核壳式纳米Al_2O_3/PS复合粒子的表征及增韧选区激光烧结聚苯乙烯的研究

运用TEM,FTIR对乳液聚合方法制备纳米Al2O3/PS复合粒子结构进行了表征,结果表明,制备出的复合粒子具备以纳米氧化铝为核、以聚苯乙烯为壳的核壳式结构;并将核壳式复合粒子用来增韧选区激光烧结聚苯乙烯,结果发现,其缺口冲击强度达到12.1kJ/m2,较纯聚苯乙烯提高了50%左右,比添加未经任何改性处理纳米氧化铝粒子的复合材料提高了30%;利用FE-SEM对试件的冲击断面进行了微观结构分析,结果表明:核壳式纳米Al2O3/PS复合粒子改善了纳米粒子与基体表面极性的差异,增强了其与聚合物基体之间的界面相容性,从而改性了选区激光烧结制备聚苯乙烯基复合材料,并很好地起到增韧的效果。

氮化硅陶瓷粉末的选区激光烧结

进行了将粘结剂包覆在陶瓷粉末表面以提高陶瓷粉末选区激光烧结（SLS）成型性能的研究．利用甲基丙烯酸甲酯单体以及甲基丙烯酸丁酯单体共聚反应制备出共聚物粘结剂，并分别采用红外光谱和DSC／TG法对其进行分析．结果表明，所制备的共聚物的主要成分是聚甲基丙烯酸甲酯和聚甲基丙烯酸丁酯，其玻璃化温度为102．0℃，在300～400℃之间失重超过80％．将自制共聚物与磷酸二氢铵以适当的比例混合，采用机械混合与喷雾干燥等手段对Si3N4陶瓷粉进行了包覆处理，并在SLS设备上进行了烧结成型实验，成功地实现了包覆粉末的SLS烧结．

多组分铜基金属粉末选区激光烧结试验研究

对自行设计制备的多组分铜基金属粉末(组分包括纯Cu粉末、预合金CuSn和CuP粉末)进行了激光烧结实验。工艺研究结果表明,该粉末体系在一定的激光参数和铺粉参数条件下,可实现对“球化”效应和翘曲变形的有效控制。利用X射线衍射仪和扫描电镜研究了激光烧结试样的物相、表面形貌和显微组织。结果表明,多组分铜基金属粉末的成形机制为液相烧结机制,粘结金属CuSn熔化形成的液相渗入结构金属Cu颗粒之间,通过液相的“桥接”作用而形成烧结颈,从而充分粘结未熔Cu颗粒;而P元素则起稀释剂的作用,在烧结过程中与氧反应生成CuPO3,使金属颗粒表面避免氧化。最后给出了激光烧结上述金属粉末制造齿轮的加工实例,其致密度达理论密度的82%,而横向尺寸误差仅为1.9%。

基于选区激光烧结技术的纳米Al_2O_3改性PS的试验

基于选区激光烧结(SLS)技术,采用表面未处理和表面处理的纳米Al2O3对聚苯乙烯(PS)进行改性试验,并研究了纳米Al2O3用量对其冲击强度、硬度的影响。结果表明,SLS合成制备出了纳米Al2O3在PS基体中分散较均匀的纳米复合块体材料。同时,在相同的SLS工艺参数作用下,纳米Al2O3粒子表面预处理的烧结件的缺口冲击韧性较表面未处理的有显著提高;而硬度几乎不受影响。纳米Al2O3含量6%,缺口冲击韧性最好,达到了11.7kJ/m2;而纳米含量的变化对硬度的影响不明显。

直接选区激光烧结金属粉末材料的研究进展

根据国内外对直接选区激光烧结使用材料的研究成果,分别详细介绍了三类金属粉末材料的研究现状,并分析了金属粉末材料的混合比、物理特性等在三类金属粉末材料激光烧结机制中的影响;结合金属粉末材料在直接选区激光烧结应用存在的问题,讨论了进一步研究金属粉末材料的发展方向。

碳化硅陶瓷预制体的选区激光烧结及真空压力渗铝

提出采用选区激光烧结法（SLS）制备碳化硅（SiC）陶瓷预制体,探讨SiC陶瓷表面改性对激光烧结成形性的影响,进行SiC陶瓷粉末的激光烧结成形工艺实验,并对SiC陶瓷激光烧结件进行热脱脂和真空压力渗铝。结果表明：SiC陶瓷表面经硅烷偶联剂KH-570（5%）改性处理后的激光烧结成形性得到很大的改善;同时,所添加粘结剂中的无机磷酸二氢氨含量控制在8%,其激光能量密度在0.10～0.12J/mm2范围内均能烧结成形,而激光能量密度0.11J/mm2的烧结件密度为2.31g/cm3,抗弯强度达到0.81MPa。对SiC陶瓷激光烧结件的热脱脂和真空压力渗铝后的XRD和OM分析表明：脱脂过程中生成的SiP2O7是陶瓷预制体的新粘结剂;而真空浸渗过程中也仅有微量的AlPO4新生成相,并没有其它的残留物;且SiC陶瓷分布均匀,大小颗粒相互搭配,组织致密。此外,其外形形状与CAD模型吻合,可实现SiCp/Al复合材料的近净成形。

CuSn预合金对金属粉末选区激光烧结过程及烧结体质量的影响

研究了CuSn预合金对Cu基金属粉末和Ni基金属粉末选区激光烧结的影响。结果表明,对于Cu-CuSn-CuP和Ni-CuSn-CuP两类合金粉末,通过合理控制激光工艺参数(特别是激光功率和扫描速率),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。对于Cu-CuSn-CuP合金,由于结构金属Cu的熔点相对较低,在一定的工艺条件下,可以通过调整CuSn的配比,得到致密的显微组织均匀的烧结件;而对于Ni-CuSn-CuP合金,结构金属Ni的熔点相对较高,虽然也可以得到较为致密的烧结件,但其微观组织存在明显的不均匀性。

选区激光烧结中能量密度对尼龙制品性能影响的研究

能量密度是影响制品尺寸精度的重要因素,在其他参数不变的情况下,利用激光功率/扫描数度(P/V)表征能量密度变化趋势。结果表明:随着P/V的增加,尺寸误差逐渐增大。当P/V数值一定时,尺寸误差基本不变。随着P/V的增加,制件的密度逐渐增加最后基本不变,P/V为0.25时,制件密度达到最大值1.144g/cm3。

纳米Al_2O_3/PS复合材料选区激光烧结成形域及力学性能

在前期研究确认激光功率P和扫描速度v对成形粉末NH1的选区激光烧结(Selective laser sintering,SLS)成形性具有显著性影响的基础上,重点研究P和v对NH1粉末的SLS成形性的影响,研究发现当P较小、v较快时,SLS烧结件结构不致密,强度较低;当P较高、v较慢时,SLS试件容易着火和翘曲变形;只有合理匹配P和v(即处在成形区内),才能直接制备出变形较小、密度较高的烧结件。同时对相同工艺条件下的Al2O3/PS纳米复合材料与纯聚苯乙烯SLS试件的缺口冲击吸收功进行比较,结果表明纳米复合材料的缺口冲击吸收功提高20%～50%,其最大值达到10.5kJ/m2。利用场发射扫描式电子显微镜(FE-SEM)对NH1和纯PS(Polystyrene)粉SLS试件的断面进行微观结构分析,结果表明核壳式纳米Al2O3/PS复合粒子改善纳米氧化铝表面与聚苯乙烯极性的差异,纳米Al2O3在基体中分散性良好,且很好地起着增强增韧的效果。

选区激光烧结工艺参数对PS/PE混合粉末成型精度的影响

为了改善聚苯乙烯(PS)选区激光烧结的成型质量,采用机械混合的方式制备了PS/聚乙烯(PE)混合粉末材料。在激光功率30 W,分层厚度0.25 mm,扫描方式XYSTA等因素不变的条件下,分别研究了扫描速度、预热温度和扫描间距对PS/PE烧结件X、Y、Z向尺寸精度的影响及规律,根据综合平衡法原则通过正交试验和极差分析优选出了最佳的工艺参数组合。结果表明,就PS/PE混合粉末烧结件X向精度而言,扫描速度对其影响最大,预热温度最小;就PS/PE混合粉末烧结件Y向精度而言,预热温度对其影响最大,扫描间距最小;就PS/PE混合粉末烧结件Z向精度而言,扫描速度对其影响最大,预热温度最小;最佳工艺参数组合为:扫描速度1 600 mm/s,预热温度80℃,扫描间距0.31 mm;此时烧结件X、Y、Z向尺寸相对偏差绝对值仅为1.28%、1.32%、1.45%。