基于热法包覆碳化硅陶瓷预制体选区激光烧结成形工艺研究

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碳化硅颗粒增强金属基复合材料具有良好的综合性能,在多个领域应用广泛。液相浸渗法制备复合材料性能稳定、工艺简单且可实现零件近净成形,但碳化硅颗粒的高强度、高硬度及脆性等特点使预制体制备较为困难,因此,选区激光烧结技术制备碳化硅陶瓷预制体有着不可比拟的优势。本文提出采用热法包覆工艺制备激光烧结用碳化硅颗粒,研究激光能量密度及颗粒特性对激光烧结陶瓷预制体成形性的影响。主要研究内容和结论如下:  利用热法包覆工艺制备激光烧结用碳化硅颗粒,工艺简单、有效;对其表面形貌分析表明,酚醛树脂均匀地包覆在碳化硅颗粒表面;差热(DTA)分析表明热法包覆碳化硅固化温度为155℃-168.1℃、有机物分解温度为400℃。  碳化硅平均粒径70μm,酚醛树脂含量6wt%的最优包覆工艺参数为:添加树脂时碳化硅温度120℃、加树脂后混碾时间60s、添加固化剂的温度95℃、加固化剂后的混碾时间50s,激光烧结陶瓷预制体抗拉强度为0.3MPa;随树脂含量的增加,激光烧结陶瓷预制体强度明显提高,树脂含量增加至8wt%时,激光烧结陶瓷预制体抗拉强度提高至0.62MPa。  激光烧结工艺研究表明:激光功率(P)及扫描速度(V)起着非常关键的作用,当扫描间距固定时,能量密度对激光烧结陶瓷预制体成形质量的影响可等比于P/V值对其成形质量的影响;当扫描间距0.15mm、预热温度55℃及铺粉层厚0.2mm时,70/28μm、94/28μm、82/28μm、101/28μm和112/28μm五组双尺寸热法包覆碳化硅颗粒的激光成形P/V值域分别为0.013-0.021J/mm、0.013-0.022J/mm、0.015-0.024J/mm、0.015-0.025J/mm、0.015-0.027J/mm,粗颗粒相应的激光成形P/V值更高、值域更宽;且五组颗粒的激光烧结成形P/V共同值域为0.015-0.021J/mm。P/V值变化反映了激光能量密度的变化趋势,能综合激光烧结各单参数的作用,对指导激光烧结、简化激光烧结工艺有着重要的意义。  颗粒尺寸及组合对激光烧结陶瓷预制体成形精度影响显著,其翘曲度随颗粒尺寸的增加而减小,表面粗糙度和尺寸误差均随颗粒尺寸的增加而增加;相对于单一颗粒,双尺寸颗粒组合的预制体翘曲度降低了11-50%,表面粗糙度 Ra值降低了12-20%,三维方向尺寸误差减小了38-79.6%,双尺寸颗粒的组合提高了激光烧结陶瓷预制体成形精度;且粗颗粒尺寸越大,细颗粒的加入对其精度影响越大。  颗粒尺寸及组合对激光烧结陶瓷预制体的力学性能也有着显著影响,预制体中单一颗粒尺寸82μm和双尺寸颗粒中粗颗粒尺寸为82μm时力学性能最大,后随颗粒尺寸的增加而减小;相对于单一颗粒,双尺寸颗粒组合预制体抗拉强度降低了约17-35.7%,抗弯强度减少约40%,但仍表现出较好的综合性能,其抗拉、抗弯强度分别为0.45-0.61MPa、0.9-1.03MPa;且粗颗粒尺寸越大,细颗粒的加入对预制体的力学性能影响越大。
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