一种激光烧结装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及激光烧结技术和激光二极管(LD)阵列技术。更确切地，本发明涉及一种激光烧结装置及方法。
【背景技术】
[0002]传统的烧结一般采用高温烧结炉进行烧结，主要用于粉末原料制备成块状固体零部件的整体烧结，此类零部件的制备一般先通过压制原料粉末制成生坯，而后在高温炉中常压或气氛烧结。如图1所示，通过加热体1的升温使炉腔2内温度升到所需温度，从而使炉腔2内放置的试样3得到烧结。这种方式是几乎所有的非热压烧结炉的工作方式，均需要加热整个炉腔，使炉腔内的样品得到加热，因此具有以下缺点:
[0003](1)功耗大；
[0004](2)升温速度慢，炉腔越大升温越慢，无法满足一些高性能材料的烧结要在特定温度区域快速升温的要求；
[0005](3)降温慢，为使炉腔保温常常使用极厚的隔热保温材料，难以满足诸如相变材料等对降温速度可调的要求；
[0006](4)难于精确控温，炉腔内不同部位的温区不同。
[0007]这些问题会直接影响烧结工艺的精确控制，进而影响产品的质量。
[0008]激光烧结是一种激光快速成型技术(Rapid Prototype)，目前的激光烧结技术往往是选择功率较大的激光器，这些激光器的特点是激光束为单束恒定功率激光，激光光斑很小，而且光斑大小也不易调整，只适用于激光扫描烧结，而激光扫描烧结主要适用于形状和结构比较复杂的结构件的逐层烧结，对于形状和结构简单的样品，激光扫描烧结的成本较高，效率较低，而且由于是逐行逐层扫描烧结，难免会出现烧结带。这是激光烧结技术的发展和大规模应用亟需解决的技术问题，直接影响到烧结体的质量和性能。
【发明内容】
[0009]针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种以激光光束直接加热试样的烧结方式，此方式使得试样整个面受热均匀、扩散快、且具有无需整体加热炉腔、功耗更低和升温/降温速度更快且精确可控的特点，有利于获得高性能的烧结体，特别地，适用于难成型、难烧结的荧光陶瓷材料的制备。
[0010]具体地，本发明提供了一种激光烧结装置及方法，其中激光烧结装置包括激光装置，用于生成入射到被烧结样品表面的加热激光束，所述加热激光束形成功率密度及尺寸大小可调的激光光斑，所述激光光斑的尺寸不小于被烧结样品的尺寸。
[0011]所述激光光斑的尺寸不小于被烧结样品的尺寸，使得被烧结样品的整个面受热均匀，然后热量由直接受热面快速扩散到被烧结样品的整体，从而实现快速烧结；如果激光光斑的尺寸小于被烧结样品的尺寸，那么被烧结样品表面会有局部区域不能照射到激光，导致样品受热不均匀，从而产生烧结体表面卷曲、成球等缺陷，而且受热不均匀还会直接引起最终烧结体的致密度不均匀，整体质量差；如果激光光斑的面积远远大于被烧结样品的尺寸，那么会有大量的激光被浪费，不利于节能降耗，所以激光光斑的面积以略大于被烧结样品的尺寸为宜。
[0012]所述被烧结试样对激光有一定的吸收率，如果对蓝、红激光反射率极高，那么并不适宜激光直接烧结，也就不适用本发明所述的烧结装置和方法。
[0013]优选地，所述激光装置包括电源和激光二极管阵列，所述激光二极管阵列为多颗激光二极管单元以阵列式排列而成，所述激光二极管阵列出射的多束激光束组合形成所述加热激光束。
[0014]优选地，所述激光装置还包括光学模块，所述光学模块包括调焦模组，实现对激光光斑功率及大小的调节。
[0015]优选地，所述调焦模组为透镜阵列，所述透镜阵列包括多个与激光二极管单元组一一对应的透镜，或其他可以实现调焦功能的光学元件。
[0016]更优选地，所述光学模块还包括准直模组。
[0017]优选地，所述准直模组为包括多个与激光二极管单元--对应设置的准直透镜或其他可以实现准直功能的光学元件。
[0018]优选地，所述激光烧结装置还包括测温装置，所述测温装置用以实时测量被烧结样品检测点处的温度。
[0019]优选地，所述激光烧结装置还包括控制单元，所述控制单元的一端与所述激光装置的电源连接，另一端与所述测温装置连接；所述控制单元响应来自所述测温装置的检测信号，进而控制所述激光装置的电源通过调整电源参数来控制所述激光光斑的功率密度输出。
[0020]优选地，所述激光装置的电源为脉冲-直流控制电源。
[0021]优选地，所述激光二极管为蓝色激光二极管。
[0022]优选地，所述被烧结样品是由被烧结粉末经过压制或注射成型得到的生坯。
[0023]优选地，所述测温装置为一红外测温仪，所述红外测温仪用以监控被烧结样品表面的温度，并反馈给所述控制单元，从而修正控温程序。
[0024]优选地，所述激光烧结装置还包括一密闭腔体，其中，
[0025]所述被烧结样品设置在所述密闭腔体内部的底端，其中，
[0026]所述密闭腔体的上端设有由透光材料密封的入光口，激光可以经由入光口直接照射在所述被烧结样品上；
[0027]所述密闭腔体还设有第一气管，所述第一气管用以将气体导出所述密闭腔体。
[0028]优选地，所述测温装置为一热电偶，所述热电偶的一端连接所述被烧结样品的底面烧结部位，另一端连接所述控制单元，其中，
[0029]所述热电偶测试所述被烧结样品底面的温度，并反馈给所述控制单元，从而修正控温程序。
[0030]优选地，所述测温装置还包括一红外测温仪，所述红外测温仪与所述控制单元连接，其中，
[0031]所述红外测温仪监控被烧结样品表面的温度，并与所述热电偶配合，从而实现更精确的控制。
[0032]优选地，所述密闭腔体上还设有第二气管，所述第二气管用以将气体导入所述密闭腔体。
[0033]优选地，所述激光光斑的功率密度呈梯度分布，用以实现温度梯度烧结。
[0034]优选地，所述激光烧结装置包括至少两个测温装置，其中，
[0035]每个测温装置可以测试所述激光光斑的不同区域的温度，监控被烧结样品的不同梯度区域的表面温度，并反馈给所述控制单元，从而修正控温程序。
[0036]另外本发明还公开了一种激光烧结方法，包括以下步骤:
[0037]将激光光斑的功率密度及尺寸大小可调的加热激光束直接照射在被烧结样品的表面，其中所述激光光斑的尺寸不小于被烧结样品的尺寸；
[0038]所述被烧结样品在预设的烧成制度下完成烧结。
[0039]其中，烧成制度为通过高温处理，使坯体发生一系列物理化学变化，形成预期的矿物组成和显微结构，从而达到固定外形并获得所要求效果的工序。
[0040]具体包括:
[0041]温度制度:包括各阶段的升温速度、最高烧成温度和保温时间。
[0042]气氛制度:各阶段所对应的气氛要求(比如:氧化、中性、还原)。
[0043]压力制度:为了保证温度、气氛制度的实现，对窑内压力的调节。
[0044]烧结过程中通过调整加热激光束的开关、激光光斑的功率密度输出等来实现烧结过程的温度控制和时间控制。
[0045]本发明的激光烧结装置利用激光束作为热源对待烧结样品进行烧结，激光光斑的功率密度及尺寸大小可调，而且激光光斑的尺寸不小于被烧结样品的尺寸，使得整个被烧结样品的表面受热均匀、由面到体热扩散快，从而实现快速整体烧结，解决了传统烧结炉需整体加热炉腔引起的热损耗问题，具有功耗低、升温/降温速度快的优点；另一方面，测温装置、控制单元以及电源的配合使得本发明在能耗、升降温控制、温区均匀等方面均有优异性能，可有效提高烧结体的质量性能，适用于精密材料的制备、研究与开发。
【附图说明】
[0046]图1是传统烧结技术中高温炉的结构示意图；
[0047]图2是本发明实施例一的激光光斑和试样尺寸不意图；
[0048]图3是本发明实施例一激光烧结装置结构图；
[0049]图4是本发明实