一种激光增材制造技术制备异形YAG透明陶瓷的方法与流程

一种激光增材制造技术制备异形yag透明陶瓷的方法
技术领域
1.本发明属于先进光功能透明陶瓷制备领域，具体涉及一种激光增材制造技术制备异形yag透明陶瓷的方法。


背景技术：

2.自20世纪90年代，日本科学家ikesue等人通过首次采用高温固相法制备出激光级的nd
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离子掺杂的yag透明陶瓷，并将其用于固体激光器的增益介质，成功实现了激光输出；此后，国内外大量的科研学者展开对yag基透明陶瓷的研究，并取得了一系列的重要研究进展。
3.yag全称钇铝石榴石，其化学式是y3al5o
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，具有优异的光学、热学和力学性能，被广泛用于高温结构材料和发光基质材料。在yag的晶格中，由于y
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独特的电子结构，使其能够被与yag中的y
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离子具有相近的离子半径异种离子(阳离子)以固溶的方式轻易的取代。因此，yag通常作为基质材料，通过掺杂其他发光离子，实现自身的发光。截至目前为止，得益于与y
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具有相似的性质或者相近的离子半径，多种发光离子被掺杂进入yag晶格之中，主要有eu
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、tb
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、ce
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、gd
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、yb
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、er
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、nd
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、sm
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、ce
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等等。
4.目前，国内外制备透明陶瓷的方式主要采用固相反应法结合多种成型工艺制备yag透明陶瓷。主流的陶瓷成型工艺主要包括：干压成型、注浆成型、凝胶注模成型和流延成型等制备方式，但是，制备的yag陶瓷材料多为平板状、柱状、管状的简单结构。对于复杂形状和复杂结构的透明陶瓷功能件，主流的成型工艺无法实现陶瓷的制备。这是因为透明陶瓷在制备过程中，需要在保证具有尽可能高的坯体密度的同时，确保坯体各部分密度均匀，才能在陶瓷坯体干燥和烧结过程中避免不均匀收缩现象的出现，从而导致陶瓷变形或开裂。但是，在复杂形状和复杂结构yag透明陶瓷的实际制备过程中，基本无法保证干燥和烧结阶段的均匀收缩。cn 114800767a公开的一种“基于光固化3d打印技术一次成型制备透明陶瓷的方法”，提供了一种采用光引发剂、光敏树脂、分散剂、烧结助剂为原料，制备透明陶瓷的方法；但是，所公开的制备配方需要使用大量的有机添加剂，并且，在后期排胶过程中极易出现开裂现象。cn 115010481a公开的“一种无支撑的3d打印复杂形状透明陶瓷方法”，提供了一种采用具有自支撑性陶瓷浆料的制备方法，实现了大倾角、复杂形状透明陶瓷的打印；但是，所公开的制备技术还是采用成分复杂的光固化陶瓷浆料制备体系，并且，所述制备工艺需要进行步骤复杂且容易出现开裂现象的排胶工艺。cn 109761608a公开的“一种基于直写成型3d打印技术制备棒状复合透明陶瓷的方法”，实现了复合结构透明陶瓷的制备；但是，所述制备方式依旧采用浆料制备体系，并且，所述的复合结构透明陶瓷依旧为平板状。


技术实现要素：

5.针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种激光增材制造技术制备异形yag透明陶瓷的方法，该方法可制备复杂形状和复杂结构的透明陶瓷功能件，解决了主流成
型技术只能制备板状、柱状、管状材料以及增材制造技术需要使用复杂的浆料制备体系实现陶瓷制备的关键制备难题，从而实现yag透明陶瓷应用领域的拓展。
6.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
7.一种激光增材制造技术制备异形yag透明陶瓷的方法，包括以下步骤：
8.s1：按化学式y3al5o
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的化学计量比分别称量y2o3和al2o3粉体作为原料粉体，向原料粉体中加入烧结助剂teos和分散剂柠檬酸铵溶液，再加入ph调节剂四甲基氢氧化铵，调节ph等于7～9，并加入超纯水调整浆料体积固含量为55～60vol.％，将浆料放入球磨罐进行球磨；其中烧结助剂teos的加入量占原料粉体质量0.1～0.5wt.％，分散剂柠檬酸铵的加入量占原料粉体质量0.1～0.5wt.％；
9.s2：将10％的pva水溶液加入到球磨罐中，所述pva加入量为粉体质量的4.0～6.0wt.％，加入去离子水，调整浆料体积固含量为35～45vol.％，继续球磨，得到陶瓷浆料，将所得陶瓷浆料中加入粉体质量0.01～0.05wt.％的消泡剂，分散处理；
10.s3：将步骤s2所得浆料进行喷雾造粒，喷头转速为6000～8000r/min，造粒塔内温度为200～300℃，造粒塔进料速度为0.3～0.5l/min，将所得粉体进行筛分，将筛取的粉体进行煅烧，煅烧温度为600～800℃，保温4～6h；
11.s4：将步骤s3所得粉体进行真空煅烧，真空煅烧温度为1250～1300℃，保温时长为1～3h，将所得粉体进行筛分，得到球形粉体；
12.s5：将步骤s4所得球形粉体填充至送粉罐，设好构件参数，通过激光增材制造进行陶瓷构件成型，得到异形yag陶瓷构件；
13.s6：将步骤s5所得的异形yag陶瓷构件进行热等静压烧结，热等静压温度为1500～1600℃，热等静压压力为180～220mpa，保温时长为2～4h，然后将烧结后的异形yag陶瓷进行退火处理，退火温度为1250～1500℃，然后进行抛光，即可得到目标异形yag透明陶瓷。
14.进一步地，步骤s1中，所述球磨方式为行星球磨，球磨时长为4～6h，球磨转速为120～160r/min，所述球磨罐为尼龙或者聚氨酯球磨罐。
15.进一步地，步骤s2中，继续球磨时长为12～16h，得到陶瓷浆料，通过高速分散机进行分散，分散时长为2～3h。
16.进一步地，步骤s2中，所述高速分散机配备研磨盘，研磨盘材质为尼龙或者特氟龙，所述分散机工作转速为2000～4000r/min。
17.进一步地，步骤s2中，所述消泡剂为多官能团的梳状的功能性聚合物。
18.进一步地，步骤s3中，筛分方法为将粉体过80～100目筛网进行第一次过筛，过100～140目筛网第二次过筛，取筛网中的残留粉体。
19.进一步地，步骤s4中，筛分方法为将粉体过80～100目筛网，多次过筛后，得到球形粉体。
20.进一步地，步骤s5中，所述的激光增材制造，所述激光为高能激光，激光光斑大小为2～3mm，激光器设置温度为1900～2000℃。
21.本发明的有益效果在于：
22.1、本发明的方法相较于现有透明陶瓷成型工艺，无需复杂的模具设计、cnc加工处理，即可实现复杂形状、复杂结构的yag透明陶瓷的制备，制备出的陶瓷产品精度高、表面质量好，并且制备过程节能环保，无多余副产物的出现；
23.2、本发明公开的yag透明陶瓷激光增材制造技术方案，无需采用成分复杂的光固化陶瓷浆料，即可实现特殊结构定制需求的异形透明陶瓷产品制备，有效避免了陶瓷素坯排胶过程坯体开裂现象的出现，实现了精细结构透明陶瓷的直接净尺寸成型、直接制备。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为实施例1采用激光增材制造技术制备的不同厚度yag透明陶瓷样品的实物图；
26.图2为实施例2采用激光增材制造技术制备的螺纹结构yag透明陶瓷管的实物图；
27.图3为实施例3采用激光增材制造技术制备的异形结构yag透明陶瓷抛光后样品的实物。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.实施例1
30.(1)将商用高纯y2o3、al2o3按照化学计量比y3al5o
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进行称量，加入0.1wt.％的烧结助剂teos，将粉体质量0.1％的分散剂柠檬酸铵加入超纯水中，将溶有柠檬酸铵的超纯水加入到粉体中得到浆料，加入ph调节剂四甲基氢氧化铵，调节浆料ph等于7，使用超纯水调整浆料固含量为60vol.％；使用行星球磨进行球磨，球磨时长为5h，球磨转速为150r/min，使用尼龙球磨罐；
31.(2)将10％的pva水溶液加入到球磨罐中，保持pva加入量为粉体质量的4.0wt.％，加入去离子水，调整浆料体积固含量为40vol.％，继续球磨，球磨时长为15h；得到陶瓷浆料，将所得浆料中加入粉体质量0.01wt.％的消泡剂，消泡剂为多官能团的梳状的功能性聚合物，使用高速分散机进行分散，分散时间为3h，高速分散机配备尼龙研磨盘，分散机工作转速为3000r/min；
32.(3)将步骤(2)所得浆料进行喷雾造粒，设置喷头转速为8000r/min，调整造粒塔内温度为250℃，设置造粒塔进料速度为0.4l/min，将所得粉体进行筛分，使用筛网80目筛网进行第一次过筛，使用100目第二次过筛，取筛网中的残留粉体进行煅烧，煅烧温度为700℃，保温5h；
33.(4)将步骤(3)所得粉体进行真空煅烧，真空煅烧温度为1250℃，保温时长为2h，将所得粉体进行筛分，使用80目筛网进行过筛；过筛次数为3次，得到球形粉体；
34.(5)将步骤(4)所得粉体填充至送粉罐，设置好所需构件参数，使用激光增材制造进行陶瓷构件成型；得到所需的陶瓷构件产品，使用高能激光，设置激光光斑大小为2mm，激
光器设置温度为1900℃；
35.(6)将步骤(5)所得得到yag陶瓷构件进行热等静压烧结，热等静压温度为1550℃，使用热等静压压力为200mpa，保温时长为3h，然后将所得陶瓷产品进行退火抛光，即可得到目标所需的陶瓷产品。
36.实施例2
37.(1)将商用高纯y2o3、al2o3按照化学计量比y3al5o
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进行称量，加入0.5wt.％的烧结助剂teos，将粉体质量0.2％的分散剂柠檬酸铵加入超纯水中，将溶有柠檬酸铵的超纯水加入到粉体中得到浆料，加入ph调节剂四甲基氢氧化铵，调节浆料ph等于8，使用超纯水调整浆料固含量为55vol.％；使用行星球磨进行球磨，球磨时长为5h，球磨转速为150r/min，使用尼龙球磨罐；
38.(2)将10％的pva水溶液加入到球磨罐中，保持pva加入量为粉体质量的6.0wt.％，加入去离子水，调整浆料体积固含量为45vol.％使用去离子水，球磨时长为15h；得到陶瓷浆料，将所得浆料中加入粉体质量0.05wt.％的消泡剂，消泡剂为多官能团的梳状的功能性聚合物，使用高速分散机进行分散，分散时间为3h，高速分散机配备尼龙研磨盘，分散机工作转速为3000r/min；
39.(3)将步骤(2)所得浆料进行喷雾造粒，设置喷头转速为8000r/min，调整造粒塔内温度为250℃，设置造粒塔进料速度为0.5l/min，将所得粉体进行筛分，使用筛网80目筛网进行第一次过筛，使用100目第二次过筛，取筛网中的残留粉体进行煅烧，煅烧温度为800℃，保温4h；
40.(4)将步骤(3)所得粉体进行真空煅烧，真空煅烧温度为1300℃，保温时长为2h，将所得粉体进行筛分，使用80目筛网进行过筛；过筛次数为3次，得到球形粉体；
41.(5)将步骤(4)所得粉体填充至送粉罐，设置好所需构件参数，使用激光增材制造进行陶瓷构件成型；得到所需的陶瓷构件产品，使用高能激光，设置激光光斑大小为2mm，激光器设置温度为1900℃；
42.(6)将步骤(5)所得得到yag陶瓷构件进行热等静压烧结，热等静压温度为1550℃，使用热等静压压力为200mpa，保温时长为3h，然后将所得陶瓷产品进行退火抛光，即可得到目标所需的陶瓷产品。
43.实施例3
44.(1)将商用高纯y2o3、al2o3按照化学计量比y3al5o
12
进行称量，加入0.3wt.％的烧结助剂teos，将粉体质量0.1％的分散剂柠檬酸铵加入超纯水中，将溶有柠檬酸铵的超纯水加入到粉体中得到浆料，加入ph调节剂四甲基氢氧化铵，调节浆料ph等于8，使用超纯水调整浆料固含量为55vol.％；使用行星球磨进行球磨，球磨时长为5h，球磨转速为150r/min，使用尼龙球磨罐；
45.(2)将10％的pva水溶液加入到球磨罐中，保持pva加入量为粉体质量的6.0wt.％，加入去离子水，调整浆料体积固含量为40vol.％使用去离子水，球磨时长为15h；得到陶瓷浆料，将所得浆料中加入粉体质量0.05wt.％的消泡剂，消泡剂为多官能团的梳状的功能性聚合物，使用高速分散机进行分散，分散时间为3h，高速分散机配备尼龙研磨盘，分散机工作转速为3000r/min；
46.(3)将步骤(2)所得浆料进行喷雾造粒，设置喷头转速为8000r/min，调整造粒塔内
温度为250℃，设置造粒塔进料速度为0.5l/min，将所得粉体进行筛分，使用筛网80目筛网进行第一次过筛，使用100目第二次过筛，取筛网中的残留粉体进行煅烧，煅烧温度为600℃，保温4h；
47.(4)将步骤(3)所得粉体进行真空煅烧，真空煅烧温度为1250℃，保温时长为2h，将所得粉体进行筛分，使用80目筛网进行过筛；过筛次数为3次，得到球形粉体；
48.(5)将步骤(4)所得粉体填充至送粉罐，设置好所需构件参数，使用激光增材制造进行陶瓷构件成型；得到所需的陶瓷构件产品，使用高能激光，设置激光光斑大小为2mm，激光器设置温度为1900℃；
49.将步骤(5)所得得到yag陶瓷构件进行热等静压烧结，热等静压温度为1550℃，使用热等静压压力为200mpa，保温时长为3h，然后将所得陶瓷产品进行退火抛光，即可得到目标所需的陶瓷产品。
50.图1为实施例1采用激光增材制造技术制备的不同厚度yag透明陶瓷样品的实物图(最大厚度1cm)，从图中可以看出，样品下面的文字清晰可见，表明采用本方案制备的透明陶瓷具有良好的光学质量；
51.图2为实施例2采用激光增材制造技术制备的螺纹结构yag透明陶瓷管的实物图(管壁厚度2.5mm)，从图中可以看出，样品螺纹结构清晰可见，表明本技术方案对复杂结构透明陶瓷制备的优势地位。
52.图3为实施例3采用激光增材制造技术制备的异形结构yag透明陶瓷抛光后样品的实物，从图中可以看出，样品具有良好的光学质量，样品下面的文字清晰可见。
53.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种激光增材制造技术制备异形yag透明陶瓷的方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：按化学式y3al5o
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的化学计量比分别称量y2o3和al2o3粉体作为原料粉体，向原料粉体中加入烧结助剂teos和分散剂柠檬酸铵溶液，再加入ph调节剂四甲基氢氧化铵，调节ph等于7～9，并加入超纯水调整浆料体积固含量为55～60vol.％，将浆料放入球磨罐进行球磨；其中烧结助剂teos的加入量占原料粉体质量0.1～0.5wt.％，分散剂柠檬酸铵的加入量占原料粉体质量0.1～0.5wt.％；s2：将10％的pva水溶液加入到球磨罐中，pva加入量为粉体质量的4.0～6.0wt.％，加入去离子水，调整浆料体积固含量为35～45vol.％，继续球磨，得到陶瓷浆料，将所得陶瓷浆料中加入粉体质量0.01～0.05wt.％的消泡剂，分散处理；s3：将步骤s2所得浆料进行喷雾造粒，喷头转速为6000～8000r/min，造粒塔内温度为200～300℃，造粒塔进料速度为0.3～0.5l/min，将所得粉体进行筛分，将筛取的粉体进行煅烧，煅烧温度为600～800℃，保温4～6h；s4：将步骤s3所得粉体进行真空煅烧，真空煅烧温度为1250～1300℃，保温时长为1～3h，将所得粉体进行筛分，得到球形粉体；s5：将步骤s4所得球形粉体填充至送粉罐，设好构件参数，通过激光增材制造进行陶瓷构件成型，得到异形yag陶瓷构件；s6：将步骤s5所得的异形yag陶瓷构件进行热等静压烧结，热等静压温度为1500～1600℃，热等静压压力为180～220mpa，保温时长为2～4h，将烧结后的异形yag陶瓷进行退火处理，退火温度为1250～1500℃，然后进行抛光，即可得到目标异形yag透明陶瓷。2.根据权利要求1所述一种激光增材制造技术制备异形yag透明陶瓷的方法，其特征在于，步骤s1中，球磨方式为行星球磨，球磨时长为4～6h，球磨转速为120～160r/min，所述球磨罐为尼龙或者聚氨酯球磨罐。3.根据权利要求1所述一种激光增材制造技术制备异形yag透明陶瓷的方法，其特征在于，步骤s2中，继续球磨时长为12～16h，得到陶瓷浆料，通过高速分散机进行分散，分散时长为2～3h。4.根据权利要求3所述一种激光增材制造技术制备异形yag透明陶瓷的方法，其特征在于，步骤s2中，所述高速分散机配备研磨盘，研磨盘材质为尼龙或者特氟龙，所述分散机工作转速为2000～4000r/min。5.根据权利要求1所述一种激光增材制造技术制备异形yag透明陶瓷的方法，其特征在于，步骤s2中，所述消泡剂为多官能团的梳状的功能性聚合物。6.根据权利要求1所述一种激光增材制造技术制备异形yag透明陶瓷的方法，其特征在于，步骤s3中，筛分方法为将粉体过80～100目筛网进行第一次过筛，过100～140目筛网第二次过筛，取筛网中的残留粉体。7.根据权利要求1所述一种激光增材制造技术制备异形yag透明陶瓷的方法，其特征在于，步骤s4中，筛分方法为将粉体过80～100目筛网，多次过筛后，得到球形粉体。8.根据权利要求1所述一种激光增材制造技术制备异形yag透明陶瓷的方法，其特征在于，步骤s5中，所述的激光增材制造，所述激光为高能激光，激光光斑大小为2～3mm，激光器设置温度为1900～2000℃。

技术总结
本发明公开了一种激光增材制造技术制备异形YAG透明陶瓷的方法，步骤包括：称量Y2O3和Al2O3粉体，加入烧结助剂和分散剂，调节pH，超纯水调整浆料固含量为55～60vol.％，将浆料球磨后，加入10％PVA水溶液，去离子水调整浆料固含量为35～45vol.％，继续球磨，加入消泡剂，分散处理；将所得浆料进行喷雾造粒，筛分，煅烧，再真空煅烧；将所得球形粉体通过激光增材制造进行陶瓷构件成型，得到YAG陶瓷构件，热等静压烧结，退火抛光，即得异形YAG透明陶瓷。该方法可制备复杂形状和结构的透明陶瓷功能件，解决了主流成型技术只能制备简单形状材料及增材制造技术需复杂的浆料制备体系的难题。制造技术需复杂的浆料制备体系的难题。制造技术需复杂的浆料制备体系的难题。


技术研发人员：张乐 邵岑 康健 邱凡 王天根 陈浩
受保护的技术使用者：江苏锡沂高新材料产业技术研究院有限公司
技术研发日：2023.04.24
技术公布日：2023/9/5