激光熔覆3D打印实现高温陶瓷“零突破”

来源:中国航空工业发展研究中心    关键词:激光熔覆, 3D打印, 高温陶瓷,    发布时间:2018-11-14

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    耐热陶瓷可用于制造发动机热端部件、火箭喷嘴和头锥等组件,这些组件要对付高温或极端环境。麻烦在于这些热稳定工程陶瓷不容易铸造或加工成必要的复杂外形。
  最近几年,3D打印工艺的开发大大增加了制造陶瓷的几何灵活性。但是无论是沉积包含陶瓷微粒的光敏树脂的工艺,在陶瓷微粒上喷射粘结剂的工艺,还是利用激光熔融陶瓷粉末床,当前的增材制造手段都受制造速度的限制。而且,经常伴随费时的粘结剂清除过程。无论如何,最终组件的物理性质都不是最优的,会产生不可靠、低强度的零件,而出现残余孔隙、裂纹和/或不均匀。
  一项新的增材制造技术由波音和通用汽车联合拥有的HRL实验室开发出来,并验证了其更快、更易制造复杂外形高强陶瓷组件的能力。HRL的高级化学工程师Eckel和化学家发明了一种聚合物树脂配方,能够3D打印成具有复杂外形的生零件,然后在炉中烧制,树脂热解,零件均匀收缩成高密度陶瓷。
  HRL项目经理表示:“有了我们的新型3D打印工艺,我们可以充分利用碳氧化硅陶瓷的许多优良性质,包括高硬度、强度和温度能力,以及耐磨和耐腐蚀性。”这样的蜂窝陶瓷材料能够作为高温应用中的轻质、承载三明治板的芯体,比如高超飞行器和喷气发动机。
 
  ——打印陶瓷前驱体单体
  Eckel表示:“我们直接从陶瓷前驱体聚合物打印全致密零件。首个方法是立体平板印刷,我们用激光凝固、聚合一种特殊的紫外固化陶瓷前驱体树脂和一个紫外光引发剂,以成形复杂外形,但这仍需数小时甚至数天。”
  这是为什么HRL团队还关注自产的技术,能够更快地大批生产生零件。作为一项持续10年的旨在开发轻质、高强材料的DARPA合同的一部分,研究人员开发了一种方法,“使紫外光在前驱体树脂槽全程都集中直到底部”,加速制造。
  技巧在于使用紫外灯穿过平版印刷蒙版中的孔的同时凝固材料,与此同时,在受照轴内校准光线以全程硬化直到底部。在这个“自蔓延光聚物波导方法”中,光通过一个波导效应,基于对树脂柱的内部表面连续向下反射,而穿透它。这个工艺创造了特别轻质但高强的桁架结构。
  “我们生产了一个超轻镍微栅格,暂时是世界上最轻的材料;现在是世界最轻的金属材料。”
 
  ——多陶瓷配方
  今天他们正在将这种增材制造技术应用高温陶瓷组件。两种紫外硬化工艺可以最终生产许多不同的陶瓷材料,但是最开始团队验证了一种碳氧化硅陶瓷,成形为一种复杂多孔的轻质结构,能够抵抗超过1700°C (3092°F)的超高温,展现出10倍于类似蜂窝陶瓷材料的强度。
  Eckel表示:“从技术上讲,非晶态剥离微结构是一种玻璃和碳的混合物;在纳米尺度它分隔为微细的二氧化硅区域,被石墨层环绕。我们利用了某种特殊的化学。陶瓷前驱体聚合物和聚合物衍生陶瓷非常普遍。这类材料最初在20世纪60年代研制出来。”
  当在一个惰性气氛如氩气中热处理到1000°C (1832°F) 使,它们热解,成形为许多陶瓷化合物,包括碳化硅、氮化硅、氮化铝和多种碳氮化物。同时,挥发化学物如甲烷、氢、二氧化碳、水和烃等走掉,留下几近致密的、缩小的陶瓷外形。
  通过把多种有机分子群与无机硅基或碳基主成分如硅氧烷、硅氮烷或碳硅烷粘合,研究团队能够设计这种紫外活跃的陶瓷前驱体单体,它在适度照射时强烈交联。

——均匀收缩
  在《科学》杂志“聚合物衍生陶瓷增材制造”论文的试验报告中,碳氧化硅前驱体图案在炉中的转化过程中,经历了42%的质量损失和30%的线性收缩。但是团队用“异常的均匀”来描述这个收缩,几乎像以前传说中的南海猎头人的缩水之头,收缩件特征的相对比例保持相同。
  HRL团队已经使用陶瓷实验室技术生产薄元件桁架结构——演示用的多重微结构、蜂窝、凹蜂窝——展现出惊人的灵活性。他们还制造了许多东西,从螺旋锥到火箭喷嘴、导弹锥头、燃气涡轮发动机叶片和微叶轮。
  这种聚合物衍生陶瓷材料的增材制造不仅可用于喷气发动机和高超飞行器的推进组件,还能用于热防护系统、多孔炉、微机电系统和电子器件封装。HRL正在为该技术寻找商业化伙伴。