一種激光燒結裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及激光燒結技術和激光二極管(LD)陣列技術。更確切地，本發(fā)明涉及一種激光燒結裝置及方法。
【背景技術】
[0002]傳統(tǒng)的燒結一般采用高溫燒結爐進行燒結，主要用于粉末原料制備成塊狀固體零部件的整體燒結，此類零部件的制備一般先通過壓制原料粉末制成生坯，而后在高溫爐中常壓或氣氛燒結。如圖1所示，通過加熱體1的升溫使爐腔2內(nèi)溫度升到所需溫度，從而使爐腔2內(nèi)放置的試樣3得到燒結。這種方式是幾乎所有的非熱壓燒結爐的工作方式，均需要加熱整個爐腔，使爐腔內(nèi)的樣品得到加熱，因此具有以下缺點:
[0003](1)功耗大；
[0004](2)升溫速度慢，爐腔越大升溫越慢，無法滿足一些高性能材料的燒結要在特定溫度區(qū)域快速升溫的要求；
[0005](3)降溫慢，為使爐腔保溫常常使用極厚的隔熱保溫材料，難以滿足諸如相變材料等對降溫速度可調(diào)的要求；
[0006](4)難于精確控溫，爐腔內(nèi)不同部位的溫區(qū)不同。
[0007]這些問題會直接影響燒結工藝的精確控制，進而影響產(chǎn)品的質(zhì)量。
[0008]激光燒結是一種激光快速成型技術(Rapid Prototype)，目前的激光燒結技術往往是選擇功率較大的激光器，這些激光器的特點是激光束為單束恒定功率激光，激光光斑很小，而且光斑大小也不易調(diào)整，只適用于激光掃描燒結，而激光掃描燒結主要適用于形狀和結構比較復雜的結構件的逐層燒結，對于形狀和結構簡單的樣品，激光掃描燒結的成本較高，效率較低，而且由于是逐行逐層掃描燒結，難免會出現(xiàn)燒結帶。這是激光燒結技術的發(fā)展和大規(guī)模應用亟需解決的技術問題，直接影響到燒結體的質(zhì)量和性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]針對上述現(xiàn)有技術中存在的技術問題，本發(fā)明提供一種以激光光束直接加熱試樣的燒結方式，此方式使得試樣整個面受熱均勻、擴散快、且具有無需整體加熱爐腔、功耗更低和升溫/降溫速度更快且精確可控的特點，有利于獲得高性能的燒結體，特別地，適用于難成型、難燒結的熒光陶瓷材料的制備。
[0010]具體地，本發(fā)明提供了一種激光燒結裝置及方法，其中激光燒結裝置包括激光裝置，用于生成入射到被燒結樣品表面的加熱激光束，所述加熱激光束形成功率密度及尺寸大小可調(diào)的激光光斑，所述激光光斑的尺寸不小于被燒結樣品的尺寸。
[0011]所述激光光斑的尺寸不小于被燒結樣品的尺寸，使得被燒結樣品的整個面受熱均勻，然后熱量由直接受熱面快速擴散到被燒結樣品的整體，從而實現(xiàn)快速燒結；如果激光光斑的尺寸小于被燒結樣品的尺寸，那么被燒結樣品表面會有局部區(qū)域不能照射到激光，導致樣品受熱不均勻，從而產(chǎn)生燒結體表面卷曲、成球等缺陷，而且受熱不均勻還會直接引起最終燒結體的致密度不均勻，整體質(zhì)量差；如果激光光斑的面積遠遠大于被燒結樣品的尺寸，那么會有大量的激光被浪費，不利于節(jié)能降耗，所以激光光斑的面積以略大于被燒結樣品的尺寸為宜。
[0012]所述被燒結試樣對激光有一定的吸收率，如果對藍、紅激光反射率極高，那么并不適宜激光直接燒結，也就不適用本發(fā)明所述的燒結裝置和方法。
[0013]優(yōu)選地，所述激光裝置包括電源和激光二極管陣列，所述激光二極管陣列為多顆激光二極管單元以陣列式排列而成，所述激光二極管陣列出射的多束激光束組合形成所述加熱激光束。
[0014]優(yōu)選地，所述激光裝置還包括光學模塊，所述光學模塊包括調(diào)焦模組，實現(xiàn)對激光光斑功率及大小的調(diào)節(jié)。
[0015]優(yōu)選地，所述調(diào)焦模組為透鏡陣列，所述透鏡陣列包括多個與激光二極管單元組一一對應的透鏡，或其他可以實現(xiàn)調(diào)焦功能的光學元件。
[0016]更優(yōu)選地，所述光學模塊還包括準直模組。
[0017]優(yōu)選地，所述準直模組為包括多個與激光二極管單元--對應設置的準直透鏡或其他可以實現(xiàn)準直功能的光學元件。
[0018]優(yōu)選地，所述激光燒結裝置還包括測溫裝置，所述測溫裝置用以實時測量被燒結樣品檢測點處的溫度。
[0019]優(yōu)選地，所述激光燒結裝置還包括控制單元，所述控制單元的一端與所述激光裝置的電源連接，另一端與所述測溫裝置連接；所述控制單元響應來自所述測溫裝置的檢測信號，進而控制所述激光裝置的電源通過調(diào)整電源參數(shù)來控制所述激光光斑的功率密度輸出。
[0020]優(yōu)選地，所述激光裝置的電源為脈沖-直流控制電源。
[0021]優(yōu)選地，所述激光二極管為藍色激光二極管。
[0022]優(yōu)選地，所述被燒結樣品是由被燒結粉末經(jīng)過壓制或注射成型得到的生坯。
[0023]優(yōu)選地，所述測溫裝置為一紅外測溫儀，所述紅外測溫儀用以監(jiān)控被燒結樣品表面的溫度，并反饋給所述控制單元，從而修正控溫程序。
[0024]優(yōu)選地，所述激光燒結裝置還包括一密閉腔體，其中，
[0025]所述被燒結樣品設置在所述密閉腔體內(nèi)部的底端，其中，
[0026]所述密閉腔體的上端設有由透光材料密封的入光口，激光可以經(jīng)由入光口直接照射在所述被燒結樣品上；
[0027]所述密閉腔體還設有第一氣管，所述第一氣管用以將氣體導出所述密閉腔體。
[0028]優(yōu)選地，所述測溫裝置為一熱電偶，所述熱電偶的一端連接所述被燒結樣品的底面燒結部位，另一端連接所述控制單元，其中，
[0029]所述熱電偶測試所述被燒結樣品底面的溫度，并反饋給所述控制單元，從而修正控溫程序。
[0030]優(yōu)選地，所述測溫裝置還包括一紅外測溫儀，所述紅外測溫儀與所述控制單元連接，其中，
[0031]所述紅外測溫儀監(jiān)控被燒結樣品表面的溫度，并與所述熱電偶配合，從而實現(xiàn)更精確的控制。
[0032]優(yōu)選地，所述密閉腔體上還設有第二氣管，所述第二氣管用以將氣體導入所述密閉腔體。
[0033]優(yōu)選地，所述激光光斑的功率密度呈梯度分布，用以實現(xiàn)溫度梯度燒結。
[0034]優(yōu)選地，所述激光燒結裝置包括至少兩個測溫裝置，其中，
[0035]每個測溫裝置可以測試所述激光光斑的不同區(qū)域的溫度，監(jiān)控被燒結樣品的不同梯度區(qū)域的表面溫度，并反饋給所述控制單元，從而修正控溫程序。
[0036]另外本發(fā)明還公開了一種激光燒結方法，包括以下步驟:
[0037]將激光光斑的功率密度及尺寸大小可調(diào)的加熱激光束直接照射在被燒結樣品的表面，其中所述激光光斑的尺寸不小于被燒結樣品的尺寸；
[0038]所述被燒結樣品在預設的燒成制度下完成燒結。
[0039]其中，燒成制度為通過高溫處理，使坯體發(fā)生一系列物理化學變化，形成預期的礦物組成和顯微結構，從而達到固定外形并獲得所要求效果的工序。
[0040]具體包括:
[0041]溫度制度:包括各階段的升溫速度、最高燒成溫度和保溫時間。
[0042]氣氛制度:各階段所對應的氣氛要求(比如:氧化、中性、還原)。
[0043]壓力制度:為了保證溫度、氣氛制度的實現(xiàn)，對窯內(nèi)壓力的調(diào)節(jié)。
[0044]燒結過程中通過調(diào)整加熱激光束的開關、激光光斑的功率密度輸出等來實現(xiàn)燒結過程的溫度控制和時間控制。
[0045]本發(fā)明的激光燒結裝置利用激光束作為熱源對待燒結樣品進行燒結，激光光斑的功率密度及尺寸大小可調(diào)，而且激光光斑的尺寸不小于被燒結樣品的尺寸，使得整個被燒結樣品的表面受熱均勻、由面到體熱擴散快，從而實現(xiàn)快速整體燒結，解決了傳統(tǒng)燒結爐需整體加熱爐腔引起的熱損耗問題，具有功耗低、升溫/降溫速度快的優(yōu)點；另一方面，測溫裝置、控制單元以及電源的配合使得本發(fā)明在能耗、升降溫控制、溫區(qū)均勻等方面均有優(yōu)異性能，可有效提高燒結體的質(zhì)量性能，適用于精密材料的制備、研究與開發(fā)。
【附圖說明】
[0046]圖1是傳統(tǒng)燒結技術中高溫爐的結構示意圖；
[0047]圖2是本發(fā)明實施例一的激光光斑和試樣尺寸不意圖；
[0048]圖3是本發(fā)明實施例一激光燒結裝置結構圖；
[0049]圖4是本發(fā)明實