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熔覆

激光熔覆3D打印實(shí)現(xiàn)高溫陶瓷“零突破”

星之球科技 來源:中國(guó)航空工業(yè)發(fā)展研究中心2018-11-14 我要評(píng)論(0 )   

耐熱陶瓷可用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件、火箭噴嘴和頭錐等組件,這些組件要對(duì)付高溫或極端環(huán)境。

    耐熱陶瓷可用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件、火箭噴嘴和頭錐等組件,這些組件要對(duì)付高溫或極端環(huán)境。麻煩在于這些熱穩(wěn)定工程陶瓷不容易鑄造或加工成必要的復(fù)雜外形。
  最近幾年,3D打印工藝的開發(fā)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(jié)劑的工藝,還是利用激光熔融陶瓷粉末床,當(dāng)前的增材制造手段都受制造速度的限制。而且,經(jīng)常伴隨費(fèi)時(shí)的粘結(jié)劑清除過程。無論如何,最終組件的物理性質(zhì)都不是最優(yōu)的,會(huì)產(chǎn)生不可靠、低強(qiáng)度的零件,而出現(xiàn)殘余孔隙、裂紋和/或不均勻。
  一項(xiàng)新的增材制造技術(shù)由波音和通用汽車聯(lián)合擁有的HRL實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出來,并驗(yàn)證了其更快、更易制造復(fù)雜外形高強(qiáng)陶瓷組件的能力。HRL的高級(jí)化學(xué)工程師Eckel和化學(xué)家發(fā)明了一種聚合物樹脂配方,能夠3D打印成具有復(fù)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(xiàng)目經(jīng)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(yōu)良性質(zhì),包括高硬度、強(qiáng)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(yīng)用中的輕質(zhì)、承載三明治板的芯體,比如高超飛行器和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。
 
  ——打印陶瓷前驅(qū)體單體
  Eckel表示:“我們直接從陶瓷前驅(qū)體聚合物打印全致密零件。首個(gè)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(qū)體樹脂和一個(gè)紫外光引發(fā)劑,以成形復(fù)雜外形,但這仍需數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天。”
  這是為什么HRL團(tuán)隊(duì)還關(guān)注自產(chǎn)的技術(shù),能夠更快地大批生產(chǎn)生零件。作為一項(xiàng)持續(xù)10年的旨在開發(fā)輕質(zhì)、高強(qiáng)材料的DARPA合同的一部分,研究人員開發(fā)了一種方法,“使紫外光在前驅(qū)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(shí)凝固材料,與此同時(shí),在受照軸內(nèi)校準(zhǔn)光線以全程硬化直到底部。在這個(gè)“自蔓延光聚物波導(dǎo)方法”中,光通過一個(gè)波導(dǎo)效應(yīng),基于對(duì)樹脂柱的內(nèi)部表面連續(xù)向下反射,而穿透它。這個(gè)工藝創(chuàng)造了特別輕質(zhì)但高強(qiáng)的桁架結(jié)構(gòu)。
  “我們生產(chǎn)了一個(gè)超輕鎳微柵格,暫時(shí)是世界上最輕的材料;現(xiàn)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(shù)應(yīng)用高溫陶瓷組件。兩種紫外硬化工藝可以最終生產(chǎn)許多不同的陶瓷材料,但是最開始團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了一種碳氧化硅陶瓷,成形為一種復(fù)雜多孔的輕質(zhì)結(jié)構(gòu),能夠抵抗超過1700°C (3092°F)的超高溫,展現(xiàn)出10倍于類似蜂窩陶瓷材料的強(qiáng)度。
  Eckel表示:“從技術(shù)上講,非晶態(tài)剝離微結(jié)構(gòu)是一種玻璃和碳的混合物;在納米尺度它分隔為微細(xì)的二氧化硅區(qū)域,被石墨層環(huán)繞。我們利用了某種特殊的化學(xué)。陶瓷前驅(qū)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(jì)60年代研制出來。”
  當(dāng)在一個(gè)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(shí),揮發(fā)化學(xué)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(jī)分子群與無機(jī)硅基或碳基主成分如硅氧烷、硅氮烷或碳硅烷粘合,研究團(tuán)隊(duì)能夠設(shè)計(jì)這種紫外活躍的陶瓷前驅(qū)體單體,它在適度照射時(shí)強(qiáng)烈交聯(lián)。

——均勻收縮
  在《科學(xué)》雜志“聚合物衍生陶瓷增材制造”論文的試驗(yàn)報(bào)告中,碳氧化硅前驅(qū)體圖案在爐中的轉(zhuǎn)化過程中,經(jīng)歷了42%的質(zhì)量損失和30%的線性收縮。但是團(tuán)隊(duì)用“異常的均勻”來描述這個(gè)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(duì)比例保持相同。
  HRL團(tuán)隊(duì)已經(jīng)使用陶瓷實(shí)驗(yàn)室技術(shù)生產(chǎn)薄元件桁架結(jié)構(gòu)——演示用的多重微結(jié)構(gòu)、蜂窩、凹蜂窩——展現(xiàn)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(dǎo)彈錐頭、燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)和高超飛行器的推進(jìn)組件,還能用于熱防護(hù)系統(tǒng)、多孔爐、微機(jī)電系統(tǒng)和電子器件封裝。HRL正在為該技術(shù)尋找商業(yè)化伙伴。

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激光熔覆3D打印高溫陶瓷
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