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无粘结剂条件下Al_2O_3粉体选择性激光烧结工艺研究

作　者: 王鹏
导　师: 胡行；贾建峰
学　校: 郑州大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 选择性激光烧结 Al2O3-C复合粉体工艺参数正交设计微观形貌后处理烧结机制
分类号: TF124.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着日趋激烈的经济全球化时代的到来,作为一种先进的快速制造技术,选择性激光烧结技术以其独特的优势和广阔的应用前景,越来越受到密切的关注,并已在众多领域得到应用。与国外的研究状况相比,国内在该技术方面还处于基础的发展阶段,存在着很大的差距。特别是针对陶瓷硬脆性材料的加工,还存在许多困难。在激光烧结过程中产生的诸如飞溅、气化、球化、过烧、翘曲变形以及体积收缩等不良现象,也是需要继续解决的问题。针对这些情况,本课题选用Al2O3-C复合粉体为研究对象进行选择性激光烧结技术的探索性研究,并从自动铺粉实验装置的设计研发、激光烧结工艺参数对烧结样品性能的影响规律,Al2O3-C复合粉体的熔化-凝固机制、烧结样品的微观形貌以及后处理对微观形貌的影响,激光烧结的机理等方面入手,系统地研究了选择性激光烧结技术的若干关键问题。主要研究内容和研究成果结论如下：通过对现有的激光打标机设备进行改造升级,自己动手设计并建造一台铺粉实验装置,分别用Visual Basic和Keil51进行上位机和下位机的程序编写,建立了一整套选择性激光烧结系统。在分析了现有的Nd:YAG激光器的性能参数,确定能够满足本课题研究需要的基础上,对所编写的上位机和下位机软硬件不断进行调试,实现了良好的人机互动,并经实验测试,自制装置的铺粉厚度能够达到0.1 mm,满足实验精度的需要,能够顺利开展本课题的研究。在选择性激光烧结工艺方面,本实验采用正交设计来安排实验,并优化烧结工艺参数,重点研究了各工艺参数对烧结样品性能的影响规律。最优的工艺参数组合为：激光功率为17.5 A,扫描速度为350 mm/s,扫描间隔为60μm。实验研究表明：在各工艺参数中,激光功率对烧结样品性能的影响最为明显,扫描速度和扫描间隔次之。激光烧温度和烧结时间是各工艺参数对烧结样品性能的影响的两个主要方面,综合考虑这两个因素,可以提高样品烧结性能。通过对样品微观形貌进行分析,揭示了在选区烧结过程中激光束以及C助烧剂对粉末粒子的烧结作用机理,发现粉末粒子在烧结过程中存在飞溅、气化、翘曲变形和孔洞等不良现象,对烧结样品的性能影响较大,必须对样品进行后处理,才能减少孔洞,提高样品的机械强度,促进结构的完整性。总之,本课题对选择性激光烧结Al2O3-C复合粉体的研究成果,为选择性激光烧结技术的进一步改进提供了借鉴,为扩展快速成型技术的应用领域,实现陶瓷等硬脆性材料的成型奠定了理论基础和工艺实践指导。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
1 绪论  11-23
  1.1 引言  11-12
  1.2 选择性激光烧结技术的基本原理  12-13
  1.3 选择性激光技术的研究现状  13-18
    1.3.1 选择性激光烧结成型设备  14-15
    1.3.2 选择性激光烧结的对象材料  15-16
    1.3.3 粘结剂的选取的研究  16-17
    1.3.4 对选择性激光烧结的样品进行后处理的研究  17-18
    1.3.5 选择性激光烧结过程的数值模拟  18
  1.4 正交试验设计  18-21
    1.4.1 正交设计  18-19
    1.4.2 正交表的性质特点  19-20
    1.4.3 正交试验数据分析  20-21
  1.5 课题研究的意义、主要内容及技术路线  21-23
    1.5.1 课题研究的目的和意义  21
    1.5.2 本课题研究的主要内容  21-22
    1.5.3 本课题研究的技术路线  22-23
2 选择性激光烧结系统的设备组成  23-42
  2.1 引言  23
  2.2 激光器系统  23-27
    2.2.1 Nd:YAG激光器原理  23-25
    2.2.2 光学系统  25
    2.2.3 计算机控制系统  25-27
  2.3 铺粉实验装置的硬件系统  27-28
    2.3.1 铺粉实验装置的设计和制造  27
    2.3.2 铺粉的具体流程  27-28
  2.4 铺粉实验装置的软件系统  28-41
    2.4.1 铺粉实验装置上位机程序设计  29-34
    2.4.2 铺粉实验装置下位机程序设计  34-41
  2.5 本章小结  41-42
3 Al_2O_3陶瓷粉体的激光三维成型实验研究  42-51
  3.1 引言  42
  3.2 实验过程  42-45
    3.2.1 实验原材料及配方组成  42-43
    3.2.2 实验设计  43
    3.2.3 试验样品的制备  43-44
    3.2.4 实验样品性能测试  44-45
  3.3 结果与讨论  45-50
    3.3.1 正交试验结果与分析  45-46
    3.3.2 激光功率对激光烧结样品性能的影响  46-48
    3.3.3 扫描速度对激光烧结样品性能的影响  48-49
    3.3.4 扫描间隔对激光烧结样品性能的影响  49-50
    3.3.5 铺粉厚度对激光烧结样品性能的影响  50
  3.4 本章小结  50-51
4 激光烧结Al_2O_3粉体材料的宏观和微观形貌研究  51-63
  4.1 引言  51
  4.2 激光烧结样品的微观形貌及烧结缺陷分析  51-54
  4.3 后处理对激光烧结样品宏观和微观形貌的影响  54-58
    4.3.1 激光烧结样品致密度对后处理样品性能的影响  54
    4.3.2 升温和降温速率对后处理样品性能的影响  54-56
    4.3.3 烧结助剂对后处理样品性能的影响  56-58
  4.4 选择性激光烧结的机理分析  58-61
    4.4.1 粉末材料对激光束能量的吸收模型  58-60
    4.4.2 Al_2O_3粉末粒子在烧结过程中的行为特征  60-61
  4.5 本章小结  61-63
5. 总结与展望  63-65
  5.1 总结  63-64
  5.2 展望  64-65
参考文献  65-70
致谢  70-71
攻读硕士学位期间发表的学术论文与研究成果  71

无粘结剂条件下Al_2O_3粉体选择性激光烧结工艺研究

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