蓝宝石的激光透照外延焊接新方法及其机理研究

Sapphire, artificial transparent monocrystalline α-Al2O3, structures are widely expected in making optical windows and fine corrosion-resist components. Methods for homogenous and integrated joining of sapphire are key factor in making large or complicated sapphire components. This project proposed a new joining method by combining “transmission laser additive manufacturing” and “epitaxial additive manufacturing”. Outstanding transmission rate of the sapphire is used. Laser goes through the base sapphire and melt the alumina powders in the seam. Along with the movement of laser, the base sapphire grows into the seam by epitaxy, embedding the polycrystalline alumina in the seam. Finally, the two piece of base sapphire fuse in to one and the seam disappears. Thus, a homogenous and integrated joint is made. This project will investigate the transmission characters of laser, heat field in the joint, dynamics of epitaxy of sapphire, structure and quality of the joints. This project is to lay a theoretical and methodological foundation for homogenous and integrated joining of sapphire, and to provide reference for additive manufacturing of transparent crystalline materials.

蓝宝石(人造透明单晶α-Al2O3)在光学窗口和耐腐蚀精密器件领域有广阔的应用前景。同质一体化连接方法是实现蓝宝石结构大型化及复杂化的有效途径和研究难点。本研究将“激光透照”方法与蓝宝石“外延增材”原理相结合，提出“激光透照外延焊接”新方法。利用蓝宝石优秀的透光性，令激光直接穿透蓝宝石母材，将焊缝中的多晶氧化铝熔化。随着激光移动，蓝宝石母材以外延增材方式向焊缝中生长，吞噬熔融的氧化铝。最终焊缝消失，两侧母材融为一体，从而实现同质一体化连接。本项目将对透照激光透照作用下蓝宝石/液态氧化铝界面的外延动力学、外延热场的调控及表征等内容展开研究，实现蓝宝石的初步同质一体化连接，并通过表征蓝宝石接头的微观组织结构建立同质一体化定量评价方法。本项目旨在为蓝宝石的同质一体化连接奠定理论和方法基础，对透明晶体材料的增材制造也有一定借鉴意义。

项目自立项启动以来，研究了催化条件下激光透照蓝宝石界面外延机制、外延速度及其影响因素。通过有限元法，表征了焊接温度场，分析了热场作用下的焊接应力，通过调整激光与外加热场的参数，实现了对焊接热过程的调控。通过真空钎焊试验研究分析了不同焊接材料焊接蓝宝石的焊接性，试验研究了不同焊接材料焊接蓝宝石的工艺，所用材料包括：氧化铝、低温玻璃及其不同配比的混合钎料，纳米铯钨青铜粉预混焊料等。分析了催化剂对激光透照蓝宝石接头的具体作用。以纳米铯钨青铜作为催化剂，制备焊接材料，并开展了激光透照试验研究。进行焊接工艺分析的过程中，开展了接头形貌特征的宏观与微观观察。.蓝宝石是熔点最高、热膨胀系数最低的氧化物陶瓷材料之一，对局部加热非常敏感。加热不均极易引起蓝宝石的损伤。而激光是焊接方法中能量密度最大的热源之一，其加热特性就是局部高热。要实现利用激光透照实现透明陶瓷，特别是蓝宝石的焊接，必须解决蓝宝石在高能量密度冲击下易碎的巨大矛盾。这也是世界范围内尚未有其他研究者能够提出或者成功实现这一成果的原因。本研究中提出的这一新的试验方案在世界范围内是首次提出，必然有很多尚需要探索的因素。试验过程中受到多种其他因素的影响，造成结果与理论预期不同，耗费了大量的时间和投入而未能获得满意的结果，但取得了部分的成功。基于本研究中大量实验数据的分析结果，针对激光热冲击力的导致脆性蓝宝石母材开裂的问题，提出了将连续激光改为脉冲激光的新方案；针对透照过程能量利用率的问题，提出了掺杂纳米铯钨青铜粉的方案，并开展了试验探索，目前的试验已经取得了初步的成功，有望在未来的研究中获得突破性的成果。.在本项目的支持下目前已经提交申请发明专利2项，发表学术论文3篇，其中EI论文1篇，核心论文1篇，支持培养硕士研究生2名，支持培养本科生毕业设计课题6项，支持高等职业技术学院毕业生毕业课题8项目。