陶瓷材料的选区激光烧结快速成型技术研究进展

1、第卷第期年月无机材料学报，文章编号：（）陶瓷材料的选区激光烧结快速成型技术研究进展韩召，曹文斌，林志明李江涛，冯涛（北京科技大学无机非金属材料系，北京；中国科学院理化技术研究所，北京；北京隆源自动成型系统有限公司，北京）摘要：阐述了陶瓷材料选区激光烧结技术的原理、工艺和特点，着重分析了粉体预处理、激光烧结参数以及坯体后处理等工艺因素对制件精度和性能的影响，还介绍了该技术目前的应用状况以及潜在的应用领域，最后对该项技术研究和发展的趋势作了展望，指出选区激光烧结技术有可能成为本世纪最主要的陶瓷材料成型工艺之一关键词：选区激光烧结陶瓷成型工艺中圉分类号：；文献标识码：引言陶瓷作为一种重要的结构材料，

2、具有高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀等优点，无论在传统工业领域还是在新兴的高技术领域都有着广泛的应用然而，陶瓷所固有的高强度、高硬度等优点却同时给陶瓷件的成型、加工带来了很多困难尤其是形状复杂的陶瓷件，通常需要借助于复杂的模具来实现而复杂模具的制作具有很高的技术难度，需要较高的制作成本和较长的制作周期，而且，模具一旦制作完成，就无法再对产品进行修改在市场竞争日趋激烈，产品更新速度日益加快的今天，这种生产状况已经越来越不能适应现代企业生存和发展的需要因此，寻找一种快速、精确的陶瓷材料成型方法成为世界范围内许多研究者努力的目标在这样的背景下，世纪年代初选区激光烧结技术（，简称技术）应运而生选区激光烧

3、结思想最初是由大学分校的于年提出的，美国公司、德国公司先后在年和年将这一思想转化成为现实，并各自推出了基于技术的成型系统】选区激光烧结技术集成了、数控技术、激光加工技术以及材料科学等领域的最新成果，能够自动、快速地将设计思想转化为具有一定结构和功能的零部件【该技术具有成型过程无需具、对产品的复杂程度不敏感、产品开发速度快等一系列优点有望成为本世纪最主要的陶瓷材料成型工艺之一【“】目前，全世界范围内有上百所大学和科研机构正在致力于选区激光烧结技术的研究，我国的华北工学院、华中科技大学、南京航空航天大学、北京科技大学、北京工业大学、有色金属研究总院和北京隆源自动成型系统有限公司等单位较早介入了这一

4、研究领域收稿日期，收到修改稿日期：基金项目：国家自然科学基金（）作者简介；韩召（），男，硕士研究生通讯联系人李江涛：无机材料学报卷岫。；图工艺流程图选区激光烧结技术的原理及步骤选区激光烧结技术是一种基于离散堆积原理的材料成型新工艺简言之，即通过离散获得堆积的路径、限制和方式；通过堆积把材料叠加起来形成三维实体选区激光烧结技术的工艺流程如图所示成型前，首先利用计算机辅助设计软件构造出零件的三维数字化模型，然后将三维模型沿成型的高度方向离散成一系列有序的二维片层（俗称分层）并把每一片层的信息传送给自动成型机成形时，先在工作台上均匀的平铺一层待成型的粉末材料，厚度与第一层的分层厚度相对应，将其加热至

5、略低于熔点的温度（即预热），然后用计算机控制激光束，按照此层的截面形状扫描已铺好的粉末，使其受热熔化或烧结第一层扫描完毕后，工作台向下移动一个层厚的高度，将第二层粉末均匀地铺在前一层上，继续进行激光选区烧结，由此，把第二层粉末和第一层烧结在一起如此循环反复，最终即可形成与三维数字化模型相对应的实体图是选区激光 烧结设备的工作过程示意图，图工艺示意图【期韩召，等：陶瓷材料的选区激光烧结快速成型技术研究进展在目前的工艺技术条件下，经选区激光烧结后，陶瓷粉末只是形成了具有所要求形状的零件坯体，其强度较低，内部组织和性能也不均匀，还需要经过高温烧结等后处理工艺，才能得到可以实际应用的陶瓷件，】选区激光

6、烧结技术对成型材料的要求选区激光烧结所用的成型材料均为粉末状材料概括地讲，所有受热后能相互粘接的粉末材料或表面覆有热塑（固）性粘接剂的粉末都可用作材料但是，研究表明，真正适合于的材料必须具有良好的热塑（固）性、适度的导热性、较窄的“软化一固化”温度范围，经激光烧结后要有足够的粘接强度此外，粉末材料的粒度不宜过大，其粒径一般要求在之间表列出了一些主要的材料性能对于成型过程的影响表材料性能对成型过程的影响，选区激光烧结技术最初只能用于塑料粉和蜡粉的成型世纪年代初，从事技术开发的德国公司通过与芬兰公司合作，研制出可用于成型的烧结不收缩铜粉和不锈钢粉，从而将技术拓展到了金属材料成型领域图是公司利用技术

7、制作的一个金属实物样品由技术在金属材料成型方面的经验可知，技术是与材料制备技术同步进展、互相促进的金属材料工艺的成功必将激励研究人员进一步开发陶瓷材料的成型工艺目前，相比较而言，陶瓷材料的选区激光烧结工艺尚不成熟，国内外基本上处于研究阶段，还没有实现商品化其原因主要在于陶瓷粉末的成型性较差，制约了工艺的进展无机材料学报卷选区激光烧结用陶瓷粉末的预处理陶瓷粉末很难通过技术直接烧结成型，这一方面是由于陶瓷材料的烧结温度很高，另一方面是由于价格原因，所用的激光器通常功率较低目前，对于陶瓷粉末的成型研究，一般要先在陶瓷粉末中加入粘结剂【】，在激光束扫描过程中，利用熔化的粘结剂将陶瓷粉末粘接在一起，从而

8、形成一定的形状，然后再通过后处理以获得足够的强度，这种成型方式通常叫做间接成型图实物样品图陶瓷粉末成型时，常用的粘结剂有有机粘结剂、无机粘结剂和金属粘结剂 等等人分别以聚甲基丙烯酸甲酯（）和聚碳酸酯（）为粘结剂，研究了陶瓷粉的选区激光烧结工艺研究表明，采用做粘结剂时，成型件的烧结收缩性较小，成型精度较高，而采用做粘结剂时，成型件的烧结收缩性较大，成型过程难以控制邓琦琳等人【】分别以聚甲基丙烯酸甲酯（）、磷酸二氢铵（）和铝粉做粘结剂，研究了陶瓷粉末的成型工艺是作为有机粘结剂来使用的（如前述等人的研究），成型时，激光束的加热作用会使熔化，熔化后的可将陶瓷粉粘结在一起，从而形成具有一定形状的陶瓷件在

9、后处理过程中，可利用脱脂工艺将去除是一种低熔点的无机化合物（其熔点只有。），成型对，激光束的加热作用会使熔化、分解，生成，继续和反应，最终生成，是一种无机粘结剂，可将陶瓷粉末粘接在一起是一种熔点较低的金属，在成型工艺中，可用作金属粘结剂和加类似，在扫描过程中，激光束会使熔化，熔化的可将粉末粘结在一起另外，还有一部分金属铝会在激光烧结过程中氧化，生成。，同时释放出大量的热，促进：。熔融、粘结，这也是一个自蔓延烧结（）过程这种将与技术相结合的思路在陶瓷材料选区激光烧结研究中非常值得借鉴我们在国家自然科学基金的资助下，提出以粉末为原料，利用选区激光烧结技术制备介观陶瓷转子由于很难烧结，目前还不能通过

10、技术直接成型，所以对粉体表面进行有机无机两次包覆改性，具体过程如下：首先，以硝酸铝、硝酸钇和柠檬酸为原料，利用低温燃烧合成技术，在。粉末表面原位反应包覆一层纳米尺度的相烧结助剂【，”】研究表明，这种包覆处理能提高粉体的分散性和烧结活性，促进烧结致密化】图是用相包覆的粉末照片由图的照片可以看出，颗粒（图中的大颗粒）表面附着了纳米尺度的小颗粒对小颗粒进行能谱分析（）的结果表明，主要成分是、和四种元素再对小颗粒进行期韩召，等：陶瓷材料的选区激光烧结快速成型技术研究进展分析，表明小颗粒主要是由、和三种相组成，其中以相（即相）为主粉末表面包覆烧结助剂后，再将其放入的聚氧化乙烯（）溶液中，混合均匀，利用喷

11、雾干燥技术将均匀地包覆在复合粉体表面这样就完成了对粉体表面的有机无机两次包覆改性据文献报道，】，粘结剂的种类、粘结剂的引入方式以及粘结剂的加入量对于 成型精度和成型件的强度有着重要影响李景新等人，】的研究表明，采用液相条件下粘度较低的粘结剂，有利于材料的 成型主要是因为这类粘结剂经高温熔化后流动性较好，有利于烧结过程中物质的迁移，从而使制件在组织和性能上趋于均匀此外，由等人的实验可知，采用粘结剂包覆陶瓷粉末的方式得到的坯体比粘结剂与陶瓷粉末混合得到的坯体强度更高，并且最终制件的成型精度和力学性能也更好这是因为采用粘结剂包覆方式图相包覆的粉末的照片得到的坯体其内部的粘结剂和陶瓷颗粒分布更加均匀，

12、坯体在后处理过程中的收缩变形性相对较小，所得零件的内部组织也更均匀在最初的技术研究中多采用作粘结剂，加入量很大，使得坯体中陶瓷粉的体积分数过小，在后处理过程中容易产生开裂、变形等缺陷【】选择合适的粘结剂，提高坯体中陶瓷粉的百分含量，有利于最终粘结剂的去除以及成型尺寸的精确控制陶瓷粉末选区激光烧结工艺的几个关键影响因素铺粉工艺对选区激光烧结技术来说，铺粉是一个非常重要的过程粉料的铺层厚度和铺层密度对于成型精度、成型件的机械性能有着较大的影响（）铺粉厚度粉料的铺层厚度一般在之间，不宜太厚，因为激光束扫描过程中烧结层上下面间的温度梯度较大，粉料铺的太厚会增加这一温度梯度，从而增大烧结层上下面间的收缩

13、率差异，这将导致烧结层翘曲变形，】（铺粉密度适当增加铺粉密度能够减小烧结收缩率，还能显著提高坯体的强度“】、对覆膜陶瓷粉来说，增加铺粉密度，会使粉末颗粒间的接触变得紧密，烧结时颗粒间粘接桥的截面积会相应增大，坯体的粘结强度也将相应提高此外，由公式×。成型件的机械强度；，一粉末材料对同种模压材料的相对密度；口。一模压材料的机械强度可知，对成型件的强度影响非常大【】增加铺粉密度，即提高，能够显著改善成型件无机材料学报卷的机械性能粉体预热温度铺粉之后，对其进行预热是非常必要的这样可以减小粉末层内部的温度梯度，缓和层间热应力，避免出现翘曲变形等缺陷另一方面，对粉体进行预热有利于节省激光能量，

14、从而可以增大激光束的扫描速度，提高成型效率预热温度一般应控制在粉体熔点以下。范围内对于覆膜陶瓷而言，预热温度稍低于粘结荆的熔化温度即可，太高或太低对成型都不利激光束扫描方式激光束的扫描方式对成型精度有较大影响，此外，扫描方式还影响着成型件内部的应力分布常用的扫描方式主要是平行线式扫描和螺旋线式扫描“】平行线式扫描简单易行，但是效率较低，片层内部残余应力较大，成型精度不高螺旋线式扫描比较符合热传递规律，能够降低片层内部的残余应力有文献表明，在分层成型过程中采用向心螺旋线式扫描有利于截面的光滑和平整度此外，我国华中科技大学的学者们还对分形扫描作了研究分形扫描的路径是一系列的小折线，激光束的扫描方式

15、不断改变，使得刚刚烧结的部分沿扫描方向可以自由收缩，能够有效的降低片层内部的残余应力图是以上三种扫描方式的示意图图三种扫描方式的示意图（）；（）；（）激光功率密度和扫描速度激光的功率密度取决于激光功率和光斑的大小在选区激光烧结过程中，激光功率密度和扫描速度决定了材料的加热温度和烧结状态等人【】对磷酸钙体系生物陶瓷的选区激光烧结研究表明：适当增大激光功率密度，降低扫描速度，有利于材料的烧结这样做可以降低烧结件的气孔率，提高制件的密度和强度【此外，邓琦琳等人对覆膜陶瓷粉的选区激光烧结研究，还表明：功率密度过高或扫描速度过低都会使得烧结层严重收缩，甚至翘曲变形；相反，功率密度过低或扫描速度过快，则会

16、使粉末加热温度不够，难以烧结完全，导致成型件的强度下降甚至出现分层所以，选择合适的激光功率密度和扫描速度对于选区激光烧结有着重要的意义选区激光烧结件的后处理工艺选区激光烧结形成的陶瓷件只是一个坯体，其机械性能和热学性能通常不能满足实际期韩召，等：陶瓷材料的选区激光烧结快速成型技术研究进展应用的要求，因此，必须进行后处理常用的后处理方法主要有高温烧结、等静压烧结和熔浸等（）无压烧结将成型件放入温控炉中，先在一定温度下脱掉粘结剂，然后再升高温度进行高温烧结【】经过这样的处理后，坯体内部孔隙减少，制件的密度和强度得到提高采用这种方式对坯体的后处理进行了研究，该研究表明，经过高温烧结后处理可以得到一理

17、论密度的陶瓷件（）等静压烧结等静压烧结将高温和高压同时作用于坯体，能够消除坯体内部的气孔，提高制件的密度和强度有学者认为，可以先将坯体做冷等静压处理，以大幅度提高坯体的密度，然后再经高温烧结处理，提高制件的强度文献表明，坯体经过这样的处理后可以达到的理论密度等静压处理使制件非致密，但其收缩也较大以上两种后处理方式虽然能够提高制件的密度和强度，但是也会引起制件的收缩和变形（）熔浸处理熔浸是将陶瓷坯体浸没在一种低熔点的液态金属中，金属液在毛细管力作用下沿着坯体内部的微小的孔隙缓慢流动，最终将孔隙完全填充以坯体的熔浸处理为例，可将其浸没在铝合金的高温熔液中，铝合金熔液在毛细管力作用下进入坯体孔隙，同

18、时氧化生成，最终得到一陶瓷复合件【】经过这样的处理，零件的密度和强度都大大提高，而尺寸变化很小选区激光烧结技术的应用选区激光烧结技术具有成型过程无需模具，产品开发速度快且对产品的复杂性不敏感等一系列优点，因此其应用领域非常广阔，】，主要表现在以下方面（）把技术与传统的模具制造技术相结合，能够快速、经济地制造模具“，这是目前技术领域的一个研究热点北京隆源自动成型系统有限公司在这方面做了许多工作，已经开发出了“系列”激光快速成型机（）技术可用于产品原型的开发它能在几小时或几天的时间内将设计图纸或模型转变为看得见，摸得着的实体模型这样就可以根据产品原型的反馈信息，迅速对产品作出评价和修改，从而加快产

19、品的开发速度【（）把技术用于生物陶瓷的成型，可以快速、精确的制作人造骨骼，这在矫形外科和修复外科上有着极好的应用前景，】目前，这一领域已经成为国际上的研究热点，国内的清华大学、西安交通大学也积极开展了这方面的研究工作（）由于是基于积分成型的制造技术，因而在功能梯度元件的制作上也是大有可为的【（）技术还可用于单件或小批量地生产那些形状复杂，一般技术难以经济、快速地制造的零件无机材料学报卷陶瓷材料选区激光烧结技术的研究趋向应当指出，陶瓷材料的选区激光烧结技术尚处于研究阶段，还不能利用这项技术直接制造实用的陶瓷件，必须辅之以较复杂的后处理工艺综观已有的文献报道，可以看出以下几个方面是陶瓷材料选区激光

20、烧结研究的趋向：（）陶瓷粉末选区激光烧结的机理还不是很清楚，这在很大程度上影响了陶瓷材料成型技术的发展因此，研究陶瓷粉末的选区激光烧结机理是该领域研究工作者面临的重要课题（）目前选用的粘结剂性能不佳，加入量较多，这在很大程度上影响了最终制件的成型精度和强度因而，寻找合适的粘结剂，降低粘结剂的加入量是当前研究中的主要问题之一（）陶瓷坯体在后处理过程中容易发生收缩变形，另外，制件的密度也要通过后处理工艺进一步提高因此寻找合适的后处理方式，以确保成型精度和成型件的强度，也是一个需要研究的问题（）值得注意的是，近年来有学者将选区激光烧结技术与其它的陶瓷材料成型技术相结合，取得了一定的研究进展。这给陶瓷

21、材料的成型研究开辟了新的方向例如，等人将技术与自蔓延高温合成技术（）相结合，研究了陶瓷件的制备工艺该研究以二氧化钛、铝和碳为原料，在成型过程中利用激光束的加热作用引发如下反应，÷这个反应过程能够放出大量的热，足以推动该反应以自蔓延的形式继续进行这对于陶瓷材料尤其是难烧结陶瓷材料的研究意义重大，因为它不但降低了技术对于激光功率的要求，还使得陶瓷材料的成型不再需要粘结剂，这给可通过放热反应合成的陶瓷材料体系的直接成型带来了希望结束语选区激光烧结技术作为新一代材料成型工艺，能够快速、自动地将产品的模型转化为具有一定结构和功能的实体，这非常适合于陶瓷件尤其是复杂形状陶瓷零部件的成型尽管目前将

22、工艺直接用于陶瓷材料成型尚有许多问题，但是相信随着各方面工艺技术的不断完善，选区激光烧结技术将有希望成为世纪主要的陶瓷成型工艺之一参考文献】王秀峰等快速原型制造技术北京；中国轻工业出版社【】，甜如，：】陈鸿，等应用基础与工程科学学报，：【】，：，：【叫，（）：【，（）：【，：期韩召，等：陶瓷材料的选区激光烧结快速成型技术研究进展【】，（）：】，：】邓琦琳，等电加工，（）：【】，：）邓琦琳，等电加工，（）：【张剑光，等材料工程，（）：【】，：】，（）：【】，（）：（】，（）：】，（）：】杨守峰等功能材料，（）：【】，：【】李景新等电加工与模具，（）：】宗贵升机电工程，（）：】，：【】，：【邓琦琳

23、等激光杂志，（）：【，（）：【王遥赣快速成形技术，武汉华中理工大学出版社【朱林泉，等快速成型与快速制造技术北京；国防工业出版社，【，（）：【】朱力群，等航空精密制造技术，（）：【】，：】，（）：【】，：，：】冯涛，等中国机械工程，（）：】赵剑峰，等特种铸造及有色合金，（）：（】，口，（）：，（，；，；，）：，（），； 陶瓷材料的选区激光烧结快速成型技术研究进展作者：韩召， 曹文斌， 林志明， 李江涛， 冯涛作者单位：韩召,曹文斌(北京科技大学无机非金属材料系,北京,100083， 林志明,李江涛(中国科学院理化技术研究所,北京,100101， 冯涛(北京隆源自动成型系统有限公司,北京,100088刊名：无机材料学报英文刊名： JOURNAL OF INORGANIC MATERIALS年，卷(期：2004，19(4被引用次数：8次参考文献(38条1. 王秀峰 快速原型制造技术 20012. Khaing M W 查看详情 20013. 陈鸿 查看详情期刊论文-应用基础与工程科学学报 20014. Wa