權(quán)利要求書： 1.一種低成本激光選區(qū)熔化用陶瓷粉末制備及其離焦成形方法，其特征在于：包括以下步驟：（a）準(zhǔn)備陶瓷材料的粉末或粉末混合物，其中包括設(shè)計(jì)粉末或粉末混合物的尺寸及粉末混合物的組分；

（b）CAD模型的設(shè)計(jì)導(dǎo)入及切層；

（c）使用輥?zhàn)訉?duì)制備好的陶瓷材料的粉末或粉末混合物進(jìn)行鋪粉和壓粉工序，得到粉層胚體；

（d）控制成形缸升降，將粉層胚體置于離焦?fàn)顟B(tài)；

（e）通過熔化熱源將所述粉層胚體的特定區(qū)域加熱至最高溫度，熔化冷卻后凝固致密一體化；

（f）判斷所有切層是否完成，否，則進(jìn)入步驟（c），是，則進(jìn)入步驟（g）；

（g）回收粉末原料，取出成形件；

步驟（a）中陶瓷材料的粉末或粉末混合物的準(zhǔn)備包括如下步驟：A1、原料設(shè)計(jì)：選擇單一陶瓷粉末或復(fù)合陶瓷粉末原料，所述原料的粒度中位徑D50的范圍為0.5 50μm；

~

A2、濕法球磨混粉：選擇酒精為媒介，將原料按球料比3:1 6:1置于氧化鋯球磨罐中，磨~球材質(zhì)為氧化鋁，直徑為2 10mm，在100 200r/min的轉(zhuǎn)速下，球磨2 4h；

~ ~ ~

A3、干燥：對(duì)球磨后收集的粉末漿料從球磨罐中與磨球分離，在真空干燥箱中以80 110~℃干燥3 6h，干燥箱氣壓為5000 10000Pa；

~ ~

A4、篩粉：使用300目篩網(wǎng)對(duì)干燥后的粉末進(jìn)行篩分后得到粉末混合物，其中，所述的粉末粒度范圍為0 55μm；

~

A5、調(diào)節(jié)通透性：將篩分后的粉末置于惰性氣體保護(hù)條件下進(jìn)行退火處理，加熱溫度為

700 1000℃，保溫時(shí)間0.5 72h，保溫后空冷，惰性氣體為氬氣；

~ ~

所述步驟（e）中，熔化熱源為電弧、等離子體或電子束；所述熔化熱源為激光束時(shí)，激光器輸出為連續(xù)激光或超快脈沖激光，其中，連續(xù)激光波長(zhǎng)為400 1080nm，激光功率為20~ ~

200W，超快激光波長(zhǎng)為1028nm，脈寬為1 1000ps，脈沖頻率為1 500KHz，每個(gè)脈沖能量為2~ ~ ~

100μJ，振鏡掃描速度為20 400mm/s；基板預(yù)熱溫度為100 1200℃，成形密封艙體內(nèi)溫度保~ ~持在28℃。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低成本激光選區(qū)熔化用陶瓷粉末制備及其離焦成形方法，其特征在于：步驟（a）中的陶瓷粉末是單一陶瓷粉末或復(fù)合陶瓷粉末，所述的單一陶瓷粉末純度≥99wt%；所述的復(fù)合陶瓷粉末為Al2O3、Y2O3、La2O3、Gd2O3、Er2O3、Eu2O3、CaO、MgO、CuO、CeO2、TiO2、SiO2、ZrO2、SiC、TiC、Ti2AlC3、Ti2SiC3中的兩種以上的混合。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低成本激光選區(qū)熔化用陶瓷粉末制備及其離焦成形方法，其特征在于：所述步驟（b）中切層厚度為25 60μm，掃描策略包括島形、之字形或單向線性掃~描。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低成本激光選區(qū)熔化用陶瓷粉末制備及其離焦成形方法，其特征在于：所述步驟（c）中鋪粉和壓粉工藝包括如下步驟：C1、基板選擇：以高純燒制陶瓷板作為基板材料固定于成形缸，基板致密度為60~

99.9%；

C2、送粉：將原料裝入粉料缸，送入成形缸；

C3、鋪粉工藝：控制成形缸升降，調(diào)整粉層厚度，鋪粉時(shí)開啟輥?zhàn)舆x轉(zhuǎn)；其中粉層厚度為

2 6個(gè)切層厚度，輥?zhàn)有D(zhuǎn)方向與鋪粉方向保持一致；

~

C4、壓粉工藝：上升基板，調(diào)整鋪粉層底部與輥?zhàn)拥南鄬?duì)位置，間距為單個(gè)CAD零部件模型切層厚度并壓粉，壓粉過程中開啟輥?zhàn)有D(zhuǎn)，輥?zhàn)有D(zhuǎn)方向與壓粉方向相反。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低成本激光選區(qū)熔化用陶瓷粉末制備及其離焦成形方法，其特征在于：所述步驟（d）中激光加工平面為離焦?fàn)顟B(tài)，其中，取向選擇為正向離焦或負(fù)向離焦，離焦量的取值范圍為0 5mm，通過升降成形缸對(duì)離焦取向和離焦量進(jìn)行控制。

~

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低成本激光選區(qū)熔化用陶瓷粉末制備及其離焦成形方法，其特征在于：所述熔化熱源為電弧、等離子體時(shí)，粉末的鋪設(shè)和掃描操作環(huán)境氧氣含量為0~

1000ppm，其余為惰性氣體；所述熔化熱源為電子束時(shí)，粉末的鋪設(shè)和掃描操作環(huán)境為真空環(huán)境。

說明書： 一種低成本激光選區(qū)熔化用陶瓷粉末制備及其離焦成形方法技術(shù)領(lǐng)域[0001] 本發(fā)明涉及增材制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種低成本激光選區(qū)熔化(SelectiveLaserMelting,SLM)用陶瓷粉末制備及其離焦成形方法。背景技術(shù)[0002] 陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、耐高溫、低熱導(dǎo)、絕緣性和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)良性質(zhì)，在航空航天、電子器件、生物醫(yī)療及建筑建材等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。陶瓷增材制造技術(shù)是一種先進(jìn)的新興制造技術(shù)，具有客制化定制、高設(shè)計(jì)自由度以及綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷部件的快速設(shè)計(jì)，獲得了廣泛關(guān)注和快速發(fā)展，有望推動(dòng)陶瓷材料制造與應(yīng)用技術(shù)的新一輪技術(shù)變革。[0003] 陶瓷激光選區(qū)熔化技術(shù)(SLM)利用高能量激光束逐層選擇性熔化陶瓷粉末，通過逐層鋪粉，逐層融化凝固堆積的方式，制造三維實(shí)體復(fù)雜零部件，該技術(shù)突破了傳統(tǒng)制造工藝的去除成形思路，無(wú)需任何模具和脫脂燒結(jié)過程，直接成形，是制造效率最高、最具發(fā)展?jié)摿Φ闹苯釉霾闹圃旒夹g(shù)。[0004] 現(xiàn)階段陶瓷SLM一般使用橡膠刮刀鋪粉，為得到均勻的陶瓷粉層，對(duì)所使用的原料粉末要求較高，需要陶瓷粉體具有較高的球形度、流動(dòng)性、純度和較窄的粒度分布范圍等等。目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)SLM陶瓷的研究報(bào)道均采用霧化造粒法產(chǎn)生的球形粉末為原料，然而這種陶瓷球形粉末制備是通過粘結(jié)劑將很多小顆粒團(tuán)聚在一起，粉體純度低且制備成本高；另外陶瓷材料對(duì)應(yīng)力和裂紋敏感，激光束輻照引起熔池區(qū)域產(chǎn)生高溫度梯度，使得成形件在激熱激冷的過程中反復(fù)受到熱沖擊并產(chǎn)生裂紋，就有了成形件性能不好的隱患，現(xiàn)階段通過高溫預(yù)熱的方法不僅對(duì)設(shè)備要求高，工藝復(fù)雜，效率極低且不能完全抑制裂紋，限制了該技術(shù)的研究發(fā)展。發(fā)明內(nèi)容[0005] 為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供的一種低成本激光選區(qū)熔化用陶瓷粉末制備及其離焦成形方法，充分利用低成本的不規(guī)則陶瓷粉末的吸光性和透光性、結(jié)合離焦打印方法優(yōu)化了熔池的溫度場(chǎng)分布，減小了溫度梯度，有效降低了加工成本和門檻，抑制了缺陷的產(chǎn)生，提高了成形效率和質(zhì)量。[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是：[0007] 一種低成本激光選區(qū)熔化用陶瓷粉末制備及其離焦成形方法，包括以下步驟：[0008] (a)準(zhǔn)備陶瓷材料的粉末或粉末混合物，其中包括設(shè)計(jì)粉末或粉末混合物的尺寸及粉末混合物的組分；[0009] (b)CAD模型的設(shè)計(jì)導(dǎo)入及切層；[0010] (c)使用輥?zhàn)訉?duì)制備好的陶瓷材料的粉末或粉末混合物進(jìn)行鋪粉和壓粉工序，得到粉層胚體；[0011] (d)控制成形缸升降，將粉層胚體置于離焦?fàn)顟B(tài)；[0012] (e)通過熔化熱源將所述粉層胚體的特定區(qū)域加熱至最高溫度，熔化冷卻后凝固致密一體化；[0013] (f)判斷所有切層是否完成，否，則進(jìn)入步驟(c)，是，則進(jìn)入步驟(g)；[0014] (g)回收粉末原料，取出成形件。[0015] 其中，步驟(a)中陶瓷材料的粉末或粉末混合物的準(zhǔn)備包括如下步驟：[0016] A1、原料設(shè)計(jì)：選擇單一陶瓷粉末或復(fù)合陶瓷粉末原料，所述原料的粒度中位徑D50的范圍為0.5～50μm；[0017] A2、濕法球磨混粉：選擇酒精為媒介，將原料按球料比3:1～6:1置于氧化鋯球磨罐中，磨球材質(zhì)為氧化鋁，直徑為2～10mm，在100～200r/min的轉(zhuǎn)速下，球磨2～4h；[0018] A3、干燥：對(duì)球磨后收集的粉末漿料從球磨罐中與磨球分離，在真空干燥箱中以80～110℃干燥3～6h，干燥箱氣壓為5000～10000Pa；[0019] A4、篩粉：使用300目篩網(wǎng)對(duì)干燥后的粉末進(jìn)行篩分后得到粉末混合物，其中，所述的粉末粒度范圍為0～55μm；[0020] A5、調(diào)節(jié)通透性：將篩分后的粉末置于惰性氣體保護(hù)條件下進(jìn)行退火處理，加熱溫度為700～1000℃，保溫時(shí)間0.5～72h，保溫后空冷，惰性氣體為氬氣。[0021] 步驟(a)中的陶瓷粉末是單一陶瓷粉末或復(fù)合陶瓷粉末，所述的單一陶瓷粉末純度≥99wt％；所述的復(fù)合陶瓷粉末為Al2O3、Y2O3、La2O3、Gd2O3、Er2O3、Eu2O3、CaO、MgO、CuO、CeO2、TiO2、SiO2、ZrO2、SiC、TiC、Ti2AlC3、Ti2SiC3中的兩種以上的混合。[0022] 所述步驟(b)中切層厚度為25～60μm，掃描策略包括島形、之字形或單向線性掃描。[0023] 所述步驟(c)中鋪粉和壓粉工藝包括如下步驟：[0024] C1、基板選擇：以高純燒制陶瓷板作為基板材料固定于成形缸，基板致密度為60～99.9％；

[0025] C2、送粉：將原料裝入粉料缸，送入成形缸；[0026] C3、鋪粉工藝：控制成形缸升降，調(diào)整粉層厚度，鋪粉時(shí)開啟輥?zhàn)舆x轉(zhuǎn)；其中粉層厚度為2～6個(gè)切層厚度，輥?zhàn)有D(zhuǎn)方向與鋪粉方向保持一致；[0027] C4、壓粉工藝：上升基板，調(diào)整鋪粉層底部與輥?zhàn)拥南鄬?duì)位置，間距為單個(gè)CAD零部件模型切層厚度并壓粉，壓粉過程中開啟輥?zhàn)有D(zhuǎn)，輥?zhàn)有D(zhuǎn)方向與壓粉方向相反。[0028] 所述步驟(d)中激光加工平面為離焦?fàn)顟B(tài)，其中，取向選擇為正向離焦或負(fù)向離焦，離焦量的取值范圍為0～5mm，通過升降成形缸對(duì)離焦取向和離焦量進(jìn)行控制。[0029] 所述步驟(e)中，熔化熱源為電弧、等離子體或電子束。[0030] 所述熔化熱源為激光束時(shí)，激光器輸出為連續(xù)激光或超快脈沖激光，其中，連續(xù)激光波長(zhǎng)為400～1080nm，激光功率為20～200W，超快激光波長(zhǎng)為1028nm，脈寬為1～1000ps，脈沖頻率為1～500KHz，每個(gè)脈沖能量為2～100μJ，振鏡掃描速度為20～400mm/s。[0031] 基板預(yù)熱溫度為100～1200℃，成形密封艙體內(nèi)溫度保持在28℃。[0032] 所述熔化熱源為電弧、等離子體時(shí)，粉末的鋪設(shè)和掃描操作環(huán)境氧氣含量為0～1000ppm，其余為惰性氣體；所述熔化熱源為電子束時(shí)，粉末的鋪設(shè)和掃描操作環(huán)境為真空環(huán)境。

[0033] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：[0034] (1)本發(fā)明充分利用了低成本的不規(guī)則陶瓷粉末，原料成本低、利用率高及適用原始材料種類不受限制，粉末混合制備工藝簡(jiǎn)單，操作方便，成本低廉；創(chuàng)新地引入退火工藝，通過對(duì)陶瓷粉末中晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)點(diǎn)缺陷濃度的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)陶瓷粉末通透性的控制，制備出高通透性、低散射率的陶瓷粉末，有利于優(yōu)化熔池溫度場(chǎng)均勻分布，減小溫度梯度，從而抑制缺陷的產(chǎn)生。[0035] (2)本發(fā)明的鋪粉壓粉工藝充分利用了不規(guī)則小尺寸粉末蓬松、高表面能從而可壓實(shí)且晶體取向各異性的特點(diǎn)，將輥?zhàn)犹娲鹉z刮刀，既減少了鋪粉對(duì)粉末球形度苛刻條件的依賴作用，提升了鋪粉粉層的均勻平整度，也極大的提升了鋪粉胚體的堆積密度和內(nèi)聚力，有效的遏制了粉末飛濺，使得粉末與激光的耦合作用效率和穩(wěn)定性得到提升；[0036] (3)本發(fā)明利用陶瓷粉末具有一定透明度的性質(zhì)，采用離焦的激光選區(qū)熔化工藝方法，降低了低熱導(dǎo)率對(duì)粉末胚體吸收激光的限制作用，有效降低了粉末表面的過熱，使得粉末在三維空間內(nèi)受熱更加均勻，利用了離焦大光斑的預(yù)熱作用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多種陶瓷材料粉末的激光選區(qū)熔化穩(wěn)定成形，形成超細(xì)貝殼組織的制備；[0037] (4)本發(fā)明通過調(diào)整超快脈沖激光重復(fù)頻率區(qū)間控制相互作用機(jī)制為融化機(jī)制，利用超快脈沖激光與陶瓷材料相互作用的非線性多光子吸收效應(yīng)，加熱過程具有熱吸收效率高、熱影響區(qū)域小等優(yōu)勢(shì)，在不損傷基材的前提下可以實(shí)現(xiàn)無(wú)裂紋陶瓷復(fù)雜部件的成形。附圖說明[0038] 圖1為本發(fā)明中方法的流程圖。[0039] 圖2為采用本發(fā)明壓粉離焦工藝制備高通透Al2O3?ZrO2共晶陶瓷成形件示意圖。[0040] 圖3為采用本發(fā)明壓粉離焦工藝制備高通透Al2O3?ZrO2共晶陶瓷成形件微觀組織示意圖。[0041] 圖4為采用本發(fā)明離焦工藝制備高通透Al2O3?ZrO2共晶陶瓷成形件微觀組織示意圖。[0042] 圖5為采用本發(fā)明壓粉工藝制備高通透Al2O3?ZrO2共晶陶瓷成形件微觀組織示意圖。[0043] 圖6為采用本發(fā)明壓粉離焦工藝制備低通透Al2O3?ZrO2共晶陶瓷成形件微觀組織示意圖。具體實(shí)施方式[0044] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。以下實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。[0045] 實(shí)施例1[0046] 結(jié)合圖1所示，具體制備過程為：[0047] 選用純度為99.5％的氧化鋁和氧化鋯為原料粉末進(jìn)行尺寸8×8×8mm的小方塊的選區(qū)激光熔化制備。氧化鋁粉末粒度中值為0.78μm、粉末呈現(xiàn)不規(guī)則的片狀；氧化鋯粉末粒度中值為1μm、粉末呈現(xiàn)不規(guī)則多面體狀。選取氧化鋁氧化鋯質(zhì)量比為61.5:38.5，選取氧化鋁磨球使得球料質(zhì)量比為3:1，并以酒精為媒介在200r/min下混合均勻，取高能球磨得到的陶瓷漿料在100℃、10KPa的環(huán)境下干燥2小時(shí)后進(jìn)行篩粉，將篩分后粉末置于氬氣氣氛下進(jìn)行退火處理，加熱溫度為700℃，保溫時(shí)間72h，保溫后空冷。選取99.9％致密度的燒制氧化鋁板作為小方塊激光選區(qū)熔化加工的基板。將模型切層，設(shè)置掃描路徑間距為75μm，層厚為50μm，接著將退火處理后得到的陶瓷粉末裝入粉料缸中，并將成形室內(nèi)部沖入氬氣作為保護(hù)氣，使得氧含量降為10ppm?？刂苹逵山蛊矫嫦陆?50μm，即使得氧含鋁基板與輥?zhàn)娱g距為150μm，接著注入粉末，利用輥?zhàn)訉⒎勰挠彝缶鶆虻匿伕驳秸麄€(gè)成形基板的上面，得到均勻的陶瓷鋪粉層，其中粉末層厚度為150μm，鋪粉時(shí)調(diào)整輥?zhàn)有D(zhuǎn)方向與鋪粉方向一致。控制基板上升100μm，保持輥?zhàn)有D(zhuǎn)方向不變，切換輥?zhàn)舆\(yùn)動(dòng)方向，利用輥?zhàn)泳矸圩饔脤⒎勰淖笸揖鶆虻膲焊驳秸麄€(gè)成形基板的上面，得到均勻致密的陶瓷壓粉層，其中粉末層厚度為50μm?？刂苹迳仙?mm，采用波長(zhǎng)為1070nm的紅外連續(xù)激光作為能量源，設(shè)置激光的主要參數(shù)為：功率100W，掃描速度為90mm/s，掃描模式為之字形，對(duì)離焦后的壓粉層進(jìn)行掃描處理，使其熔化后冷凝固結(jié)為固態(tài)層。重復(fù)步驟(c)～(d)，進(jìn)行逐層的粉末鋪設(shè)操作和激光掃描操作，直至完成尺寸為8×8×8mm的小方塊的選區(qū)激光熔化制備，最終獲得如圖

2和圖3所示的成形件。

[0048] 另外，在本實(shí)施例中，雖然第一熱源選用了連續(xù)激光作為熱源，但是，在其他實(shí)施例中，也可以選用其他熱源作為第一熱源進(jìn)行粉末層的第一次熔化成形掃描處理，例如超快脈沖激光、電弧、等離子體或電子束，特別的，在選用電子束作為熱源時(shí)，需保證鋪粉和掃描的環(huán)境為真空環(huán)境，選用電弧或等離子體作為熱源時(shí)，需保證鋪粉和掃描的環(huán)境為惰性氣氛環(huán)境。[0049] 優(yōu)選的，在本實(shí)施例中，為了保證粉末熔化凝固成形質(zhì)量，需要避免超快脈沖激光與陶瓷材料相互作用的非線性效應(yīng)而產(chǎn)生燒蝕、等離子體或氣化等機(jī)制，因此需控制脈沖激光參數(shù)在低能量和高重復(fù)頻率區(qū)間內(nèi)，相互作用為熱效應(yīng)融化機(jī)制，從而提高成形件最終的質(zhì)量。[0050] 對(duì)比例1[0051] 采用與實(shí)施例1相同的方法對(duì)氧化鋁氧化鋯共晶陶瓷進(jìn)行8×8×8mm的小方塊的選區(qū)激光熔化制備，其區(qū)別僅在于：未實(shí)施步驟(c)的鋪粉壓粉工序，直接鋪粉得到致密度低的粉層，并最終獲得如圖4所示表面形貌的成形件。實(shí)施例1由于壓粉工藝，粉層均勻平整，鋪粉胚體的堆積密度和內(nèi)聚力得到提升，有效的遏制了粉末飛濺，使得粉末與激光的耦合作用效率和穩(wěn)定性得到提升，因此試件中裂紋得到抑制，熔道更加穩(wěn)定均勻。[0052] 對(duì)比例2[0053] 采用與實(shí)施例1相同的方法對(duì)氧化鋁氧化鋯共晶陶瓷進(jìn)行8×8×8mm的小方塊的選區(qū)激光熔化制備，其區(qū)別僅在于：未實(shí)施步驟(d)的離焦工序，而是使用連續(xù)紅外激光直接定焦熔化，并最終獲得如圖5所示表面形貌的成形件。實(shí)施例1由于離焦工藝，降低了低熱導(dǎo)率對(duì)粉末胚體吸收激光的限制作用，有效降低了粉末表面的過熱，抑制了飛濺的同時(shí)使得粉末在三維空間內(nèi)受熱更加均勻，利用了離焦大光斑的預(yù)熱作用，實(shí)現(xiàn)了裂紋抑制和熔道穩(wěn)定。[0054] 對(duì)比例3[0055] 采用與實(shí)施例1相同的方法對(duì)氧化鋁氧化鋯共晶陶瓷進(jìn)行8×8×8mm的小方塊的選區(qū)激光熔化制備，其區(qū)別僅在于：未實(shí)施步驟(a)的粉末退火處理工藝，僅使用低通透性的篩分后陶瓷粉末，連續(xù)紅外激光單能量源離焦成形，并最終獲得如圖6所示表面形貌的成形件。實(shí)施例1由于施加72小時(shí)700℃的退火處理，降低氧化鋁氧化鋯粉末中晶體氧缺位的濃度，提升粉末的通透性，有利于優(yōu)化熔池溫度場(chǎng)均勻分布，減小溫度梯度，從而抑制缺陷的產(chǎn)生。[0056] 以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)，對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單的修改、等同替換與改進(jìn)等，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍之內(nèi)。