激光熔覆3D打印實現高溫陶瓷“零突破”

來源:中國航空工業發展研究中心    關鍵詞:激光熔覆, 3D打印, 高溫陶瓷,    發布時間:2018-11-14

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    耐熱陶瓷可用于制造發動機熱端部件、火箭噴嘴和頭錐等組件,這些組件要對付高溫或極端環境。麻煩在于這些熱穩定工程陶瓷不容易鑄造或加工成必要的復雜外形。
  最近幾年,3D打印工藝的開發大大增加了制造陶瓷的幾何靈活性。但是無論是沉積包含陶瓷微粒的光敏樹脂的工藝,在陶瓷微粒上噴射粘結劑的工藝,還是利用激光熔融陶瓷粉末床,當前的增材制造手段都受制造速度的限制。而且,經常伴隨費時的粘結劑清除過程。無論如何,最終組件的物理性質都不是最優的,會產生不可靠、低強度的零件,而出現殘余孔隙、裂紋和/或不均勻。
  一項新的增材制造技術由波音和通用汽車聯合擁有的HRL實驗室開發出來,并驗證了其更快、更易制造復雜外形高強陶瓷組件的能力。HRL的高級化學工程師Eckel和化學家發明了一種聚合物樹脂配方,能夠3D打印成具有復雜外形的生零件,然后在爐中燒制,樹脂熱解,零件均勻收縮成高密度陶瓷。
  HRL項目經理表示:“有了我們的新型3D打印工藝,我們可以充分利用碳氧化硅陶瓷的許多優良性質,包括高硬度、強度和溫度能力,以及耐磨和耐腐蝕性。”這樣的蜂窩陶瓷材料能夠作為高溫應用中的輕質、承載三明治板的芯體,比如高超飛行器和噴氣發動機。
 
  ——打印陶瓷前驅體單體
  Eckel表示:“我們直接從陶瓷前驅體聚合物打印全致密零件。首個方法是立體平板印刷,我們用激光凝固、聚合一種特殊的紫外固化陶瓷前驅體樹脂和一個紫外光引發劑,以成形復雜外形,但這仍需數小時甚至數天。”
  這是為什么HRL團隊還關注自產的技術,能夠更快地大批生產生零件。作為一項持續10年的旨在開發輕質、高強材料的DARPA合同的一部分,研究人員開發了一種方法,“使紫外光在前驅體樹脂槽全程都集中直到底部”,加速制造。
  技巧在于使用紫外燈穿過平版印刷蒙版中的孔的同時凝固材料,與此同時,在受照軸內校準光線以全程硬化直到底部。在這個“自蔓延光聚物波導方法”中,光通過一個波導效應,基于對樹脂柱的內部表面連續向下反射,而穿透它。這個工藝創造了特別輕質但高強的桁架結構。
  “我們生產了一個超輕鎳微柵格,暫時是世界上最輕的材料;現在是世界最輕的金屬材料。”
 
  ——多陶瓷配方
  今天他們正在將這種增材制造技術應用高溫陶瓷組件。兩種紫外硬化工藝可以最終生產許多不同的陶瓷材料,但是最開始團隊驗證了一種碳氧化硅陶瓷,成形為一種復雜多孔的輕質結構,能夠抵抗超過1700°C (3092°F)的超高溫,展現出10倍于類似蜂窩陶瓷材料的強度。
  Eckel表示:“從技術上講,非晶態剝離微結構是一種玻璃和碳的混合物;在納米尺度它分隔為微細的二氧化硅區域,被石墨層環繞。我們利用了某種特殊的化學。陶瓷前驅體聚合物和聚合物衍生陶瓷非常普遍。這類材料最初在20世紀60年代研制出來。”
  當在一個惰性氣氛如氬氣中熱處理到1000°C (1832°F) 使,它們熱解,成形為許多陶瓷化合物,包括碳化硅、氮化硅、氮化鋁和多種碳氮化物。同時,揮發化學物如甲烷、氫、二氧化碳、水和烴等走掉,留下幾近致密的、縮小的陶瓷外形。
  通過把多種有機分子群與無機硅基或碳基主成分如硅氧烷、硅氮烷或碳硅烷粘合,研究團隊能夠設計這種紫外活躍的陶瓷前驅體單體,它在適度照射時強烈交聯。

——均勻收縮
  在《科學》雜志“聚合物衍生陶瓷增材制造”論文的試驗報告中,碳氧化硅前驅體圖案在爐中的轉化過程中,經歷了42%的質量損失和30%的線性收縮。但是團隊用“異常的均勻”來描述這個收縮,幾乎像以前傳說中的南海獵頭人的縮水之頭,收縮件特征的相對比例保持相同。
  HRL團隊已經使用陶瓷實驗室技術生產薄元件桁架結構——演示用的多重微結構、蜂窩、凹蜂窩——展現出驚人的靈活性。他們還制造了許多東西,從螺旋錐到火箭噴嘴、導彈錐頭、燃氣渦輪發動機葉片和微葉輪。
  這種聚合物衍生陶瓷材料的增材制造不僅可用于噴氣發動機和高超飛行器的推進組件,還能用于熱防護系統、多孔爐、微機電系統和電子器件封裝。HRL正在為該技術尋找商業化伙伴。
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