专利名称：激光快速成形表面气氛加热炉的制作方法
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，显微组织的均勻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°C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°C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(< lOOK/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IO3 104K/cm数量级，远高于常规技术的IO1 IO2K/ 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 A1203/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。本发明包括发热体、热电偶、炉体、激光器、气体流量计、温控器、加热板和2根进气管。其中，加热板位于炉体内，并置于试样垫板和硅碳棒发热体之间。在加热板一个端面中间有沿该加热板长度方向分布的热电偶插孔；所述的热电偶插孔的孔径与热电偶的外径相同。热电偶插入加热板内。发热体位于加热炉炉腔内底部，该发热体的一端穿过炉壁与位于炉体外的温控器连接。2根进气管的一端分别从炉体的两侧穿过炉体壁，插入炉体内， 位于试样的上表面处并与试样的上表面之间有3 5mm的间距，2根进气管的另一端分别通过气体流量计与气源连接。炉体的一侧有炉盖，该炉盖的宽度为炉体该侧壁厚与炉体内腔之和。在炉盖的中心有激光打入孔；加热板为长方形板，采用再结晶的碳化硅制作。激光器位于炉体上方，并与炉盖中心的激光打入孔对应。在炉体一端的炉壁上有观察窗，并且该观察窗下表面高于试样上表面2 3mm。本发明的有益效果是激光快速成形表面气氛加热炉通过对韧性较差，热应力大的材料进行高温保温处理(最大温度达1300°C )，有效降低了成形材料与周围环境的温差和材料内部的热应力。当高能量激光辐照到成形材料上表面时，下表面在加热炉的作用下同时升高到较高温度，上下表面温差大幅减小(陶瓷材料)，甚至接近(金属材料)，从而保证基材不会激热开裂，同时又可以保证熔体在冷却的过程中不会因为激冷导产生致裂纹和缺陷，极大的提高了材料成形的质量和性能，并使得激光快速成形技术制备大体积脆性材料成为可能。采用该加热炉，能够获得表面光滑、无裂纹，100%致密的Al2O3基复合陶瓷。 根据不同材料，可通过调整保温温度，实现不同的冷却速率和温度梯度。由于裂纹消失和热应力减少，熔体生长更趋稳定。本发明在加热的同时能够从两路向炉内通入惰性保护气体，使得炉内的水汽和空气可以充分的排出，消除熔体快速凝固时内部产生的气孔，提高材料的致密性。对于易氧化和易挥发的材料，该装置还可以防止材料激光成形过程中氧化和成分发生变化。本发明能够快速熔化高熔点材料，实现高的温度梯度(> 3000K/cm)，而且能够降低材料激光成形过程中的热应力并完全消除裂纹。此外，在加热和成形过程中，同时充入高纯惰性气体，使得炉体中的空气完全逸出，消除了成形材料内部的气孔，可以获得稳定的晶体生长。
附图1是本发明装置炉盖闭合时的结构示意图。
附图2是本发明装置炉盖打开时的结构示意图。附图3是本发明装置的左视图。附图4是本发明装置的俯视图。1.发热体 2.热电偶3.加热板4.进气管 5.炉体 6.观察窗7.炉盖 8.激光入孔 9.试样 10.激光器 11.光束12.气体流量计13.温控器14.炉体电源线15.外接电源线16.气流计阀门 17.试样垫板
具体实施例方式实施例一本实施例是一种用于加热A1203/YAG共晶自生复合烧结陶瓷板的激光快速成形表面气氛加热炉。试样的尺寸为68mmX15mmX5mm。本实施例包括发热体1、热电偶2、碳化硅再结晶的加热板3、进气管4、炉体5、观察窗6、炉盖7、激光入孔8、试样9、激光器10、光束11、气体流量计12、温控器13、炉体电源线14、外接电源线15、气流计阀门16和试样垫板17。其中，炉体5为长方形壳体。加热板 3位于炉体5内，并置于试样垫板17和用硅碳棒制作的发热体1之间。在炉体一端的壳体上开有一直径7mm的通孔，用于安装热电偶；所述热电偶通孔的中心与加热板厚度的中心位于同一水平面，并且热电偶与加热板3的端面相对应。热电偶2 —端从该通孔插入碳化硅再结晶的加热板3内，另一端通过炉体电源线14与位于炉体外的温控器13相连接。硅碳棒的发热体1位于加热炉炉腔内底部，该发热体1的一端穿过炉壁与位于炉体外的温控器13连接。2根外接电源线15分别与温控器13的正负端口连接。激光器10位于炉体5 上方，并与炉盖7中心的激光打入孔8对应。2根进气管4的一端分别对称的从炉体5长度方向的两侧穿过炉体壁，插入炉体5 内，位于试样9的上表面处并与试样9的上表面之间有3mm的间距；2根进气管4的另一端分别通过气体流量计12与气源连接。在炉体5 —端的侧壁上开有一贯通炉体5的长方形观察窗6，并且该观察窗6的下表面高于试样9上表面3mm处。炉体顶部一侧安装有活动的炉盖7，该炉盖7能够沿炉体长度方向自由推拉；所述炉盖7的宽度为炉体5侧壁厚与炉体内腔之和；在炉盖7的中心处开有一尺寸为75mmX20mmX IOmm的长方形激光打入孔8。加热板3为长方形板，采用再结晶的碳化硅制作。在加热板3—个端面中间有沿该加热板3长度方向分布的热电偶插孔。所述的热电偶插孔的孔径与热电偶2的外径相同。试样垫板17为与A1203/YAG共晶自生复合陶瓷同成分的复合材料烧结体。试样垫板17为矩形板，其外形尺寸略大于试样9。试样垫板17被置于加热板3上表面。试样9置于试样垫板17上表面；试样9的中心与激光打入孔8的中心对应。使用时，先通过拉手7拉开炉盖，将试样9放在试样垫板17上，然后关闭炉盖，并用保温材料盖住激光入孔8。打开气流计阀门16，通过气体输送管通入保护气体队将炉体内的空气排除；气体流速通过气体流量计12调节。调节温控器13设定加热功率和加热温度，通过对发热体通入电流使其发热，对在它上表面的加热板3进行加热并同时辐射加热试样9，当加热板3加热到设定温度，由控温系统13自动调节加热电流，实现对加热板及试样的保温，保温一定时间，使试样9温度与加热板3温度一致。然后开始从激光打入孔8通入激光束11，设定激光的功率、扫描速度和光斑直径对试样进行水平方向的扫描熔化和区熔定向凝固。实施例二本实施例是一种用于加热高纯Al2O3-Y2O3共晶成分超细粉末的激光快速成形表面气氛加热炉。粉末颗粒直径大小为1 2μπι，铺粉尺寸为45mmX20mmX2mm。本实施例包括发热体1、热电偶2、碳化硅再结晶的加热板3、进气管4、炉体5、观察窗6、炉盖7、激光入孔8、粉末试样9、激光器10、光束11、气体流量计12、温控器13、炉体电源线14、外接电源线15、气流计阀门16和试样垫板17。其中，炉体5为长方形壳体。加热板3位于炉体5内，并置于试样垫板17和用硅碳棒制作的发热体1之间。在炉体一端的壳体上开有一直径7mm的通孔，用于安装热电偶；所述热电偶通孔的中心与加热板厚度的中心位于同一水平面，并且热电偶与加热板3的端面相对应。热电偶2 —端从该通孔插入碳化硅再结晶的加热板3内，另一端通过炉体电源线14与位于炉体外的温控器13相连接。 硅碳棒的发热体1位于加热炉炉腔内底部，该发热体1的一端穿过炉壁与位于炉体外的温控器13连接。2根外接电源线15分别与温控器13的正负端口连接。激光器10位于炉体 5上方，并与炉盖7中心的激光打入孔8对应。2根进气管4的一端分别对称的从炉体5长度方向的两侧穿过炉体壁，插入炉体5 内，位于粉末试样9的上表面处并与试样9的上表面之间有5mm的间距；2根进气管4的另一端分别通过气体流量计12与气源连接。在炉体5 —端的侧壁上开有一贯通炉体5的长方形观察窗6，并且该观察窗6的下表面高于粉末试样9上表面2mm处。炉体顶部一侧安装有活动的炉盖7，该炉盖7能够沿炉体长度方向自由推拉；所述炉盖7的宽度为炉体5侧壁厚与炉体内腔之和；在炉盖7的中心处开有一尺寸为50mmX35mmX10mm的长方形激光打入孔8。加热板3为长方形板，采用再结晶的碳化硅制作。在加热板3—个端面中间有沿该加热板3长度方向分布的热电偶插孔。所述的热电偶插孔的孔径与热电偶2的外径相同。试样垫板17为与Al2O3^2O3共晶粉末同成分的复合材料烧结体。试样垫板17为矩形板，其外形尺寸略大于预成形试样9。试样垫板17被置于加热板3上表面。粉末试样 9置于试样垫板17上表面；试样9的中心与激光打入孔8的中心对应。使用时，先通过拉手7拉开炉盖，将共晶粉末试样9放在试样垫板17上，然后关闭炉盖，并用保温材料盖住激光入孔8。打开气流计阀门16，通过气体输送管通入保护气体N2 将炉体内的空气排除；气体流速通过气体流量计12调节。调节温控器13设定加热功率和加热温度，通过对发热体通入电流使其发热，对在它上表面的加热板3进行加热并同时辐射加热试样9，当加热板3加热到设定温度，由控温系统13自动调节加热电流，实现对加热板及试样的保温，保温一定时间，使试样9温度与加热板3温度一致。然后开始从激光打入孔8通入激光束11，设定激光的功率，扫描速度，光斑直径，铺粉厚度和宽度对粉末进行水平方向的扫描熔化并进行激光熔覆成形。实施例三本实施例是一种用于加热含有疲劳裂纹的镍基高温合金叶片材料并进行修复的激光快速成形表面气氛加热炉。试样尺寸为80mmX30mmX25mm。本实施例包括发热体1、热电偶2、碳化硅再结晶的加热板3、进气管4、炉体5、观察窗6、炉盖7、激光入孔8、试样9、激光器10、光束11、气体流量计12、温控器13、炉体电源线14、外接电源线15、气流计阀门16和试样垫板17。其中，炉体5为长方形壳体。加热板 3位于炉体5内，并置于试样垫板17和用硅碳棒制作的发热体1之间。在炉体一端的壳体上开有一直径7mm的通孔，用于安装热电偶；所述热电偶通孔的中心与加热板厚度的中心位于同一水平面，并且热电偶与加热板3的端面相对应。热电偶2 —端从该通孔插入碳化硅再结晶的加热板3内，另一端通过炉体电源线14与位于炉体外的温控器13相连接。硅碳棒的发热体1位于加热炉炉腔内底部，该发热体1的一端穿过炉壁与位于炉体外的温控器13连接。2根外接电源线15分别与温控器13的正负端口连接。激光器10位于炉体5 上方，并与炉盖7中心的激光打入孔8对应。2根进气管4的一端分别对称的从炉体5长度方向的两侧穿过炉体壁，插入炉体5 内，位于试样9的上表面处并与试样9的上表面之间有4mm的间距；2根进气管4的另一端分别通过气体流量计12与气源连接。在炉体5 —端的侧壁上开有一贯通炉体5的长方形观察窗6，并且该观察窗6的下表面高于粉末试样9上表面2. 5mm处。炉体顶部一侧安装有活动的炉盖7，该炉盖7能够沿炉体长度方向自由推拉；所述炉盖7的宽度为炉体5侧壁厚与炉体内腔之和；在炉盖7 的中心处开有一尺寸为IOOmmX40mmX 20mm的长方形激光打入孔8。加热板3为长方形板，采用再结晶的碳化硅制作。在加热板3—个端面中间有沿该加热板3长度方向分布的热电偶插孔。所述的热电偶插孔的孔径与热电偶2的外径相同。试样垫板17为45号不锈钢。试样垫板17为矩形板，其外形尺寸略大于试样9。 试样垫板17被置于加热板3上表面。试样9置于试样垫板17上表面；试样9的中心与激光打入孔8的中心对应。使用时，先通过拉手7拉开炉盖，将试样9放在试样垫板17上，然后关闭炉盖，并用保温材料盖住激光入孔8。打开气流计阀门16，通过气体输送管通入保护气体队将炉体内的空气排除；气体流速通过气体流量计12调节。调节温控器13设定加热功率和加热温度，通过对发热体通入电流使其发热，对在它上表面的加热板3进行加热并同时辐射加热试样9，当加热板3加热到设定温度，由控温系统13自动调节加热电流，实现对加热板及试样的保温，保温一定时间，使试样9温度与加热板3温度一致。然后开始从激光打入孔8通入激光束11，并设定激光的功率，扫描速度，光斑直径对合金叶片材料有裂纹的局部进行激光修复。
权利要求
1.一种激光快速成形表面气氛加热炉，包括发热体(1)、热电偶O)、炉体(5)、激光器 (10)、气体流量计(12)和温控器(13)；其特征在于，还包括加热板(3)和2根进气管(4)； 其中，加热板(3)位于炉体(5)内，并置于试样垫板(17)和硅碳棒发热体(1)之间；在加热板C3) —个端面中间有沿该加热板C3)长度方向分布的热电偶插孔；所述的热电偶插孔的孔径与热电偶⑵的外径相同；热电偶⑵插入加热板⑶内；发热体⑴位于加热炉炉腔内底部，该发热体(1)的一端穿过炉壁与位于炉体外的温控器(13)连接；2根进气管(4) 的一端分别从炉体(5)的两侧穿过炉体壁，插入炉体(5)内，位于试样(9)的上表面处并与试样(9)的上表面之间有3 5mm的间距，2根进气管的另一端分别通过气体流量计 (12)与气源连接；炉体(5)的一侧有炉盖(7)，该炉盖(7)的宽度为炉体(5)该侧壁厚与炉体内腔之和；在炉盖(7)的中心有激光打入孔(8)；加热板(3)为长方形板，采用再结晶的碳化硅制作；激光器(10)位于炉体(5)上方，并与炉盖(7)中心的激光打入孔(8)对应。
2.如权利要求1所述一种激光快速成形表面气氛加热炉，其特征在于，在炉体(5)—端的炉壁上有观察窗(6)，并且该观察窗(6)下表面高于试样(9)上表面2 3mm。
全文摘要
一种激光快速成形表面气氛加热炉，加热板位于炉体内，并置于试样垫板和硅碳棒发热体之间。热电偶插入加热板内。发热体位于加热炉炉腔内底部，并与炉体外的温控器连接。2根进气管的一端与试样的上表面之间有3～5mm的间距，另一端分别与气源连接。炉体的一侧有活动炉盖。在炉盖的中心有激光打入孔。本发明能够快速均匀预热并熔化高熔点材料，降低材料激光快速成形过程中成形材料与周围环境的温差和材料内部的热应力，并完全消除裂纹，获得表面光滑、无裂纹、100％致密的Al2O3基复合陶瓷。本发明在加热和熔化的同时能够从两路向炉内通入惰性保护气体，消除了熔体快速凝固时内部产生的气孔，提高了材料的致密性。
文档编号F27B17/02GK102322738SQ20111016330
公开日2012年1月18日 申请日期2011年6月16日 优先权日2011年6月16日
发明者于建政, 傅恒志, 刘林, 张军, 苏海军 申请人:西北工业大学