德國紐倫堡大學開展3D打印反應燒結(jié)碳化硅新型工藝

供稿人:陳銳光，連芩
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

碳化硅(SiC)具有良好的抗熱震性和化學穩(wěn)定性，因此在高溫和極端條件下具有良好的應用前景，在工程陶瓷領(lǐng)域具有廣泛的應用，如軸承、燃氣輪機和以及換熱器等。但SiC陶瓷很難加工，尤其是形成復雜形狀，而傳統(tǒng)工藝如粉末燒結(jié)和薄膜沉積固結(jié)存在諸多限制，影響其高溫性能、環(huán)境抗性和高強度等優(yōu)良性能的發(fā)揮。

德國紐倫堡大學開展了一種制備反應結(jié)合碳化硅結(jié)構(gòu)的新型工藝研究。研究者把SiC粉以及碳粉分散在粘結(jié)劑中作為材料，用安裝在六軸機械臂上的噴嘴擠出堆積成形，在700℃高溫熱解和1850 ℃高溫熱處理后，采用液態(tài)硅滲透技術(shù)對樣品進行滲透，獲得致密的近凈形RBSC結(jié)構(gòu)。利用直徑為1.5 mm和 0.5 mm的噴嘴打印出如圖1所示的網(wǎng)格微觀結(jié)構(gòu)，具有不錯的精度。

圖1 1.5mm（a）和0.5mm（b）噴嘴打印的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

從CAD模型到打印出一個流線結(jié)構(gòu)，再對其進行熱解和反應燒結(jié)，該過程證明了該工藝能夠成形復雜形狀，并具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和近凈成形能力，如圖2。

圖2 流線結(jié)構(gòu)的CAD模型（d）、成形件（e）及滲硅件（f）

樣品的微觀圖像如圖3，經(jīng)熱解除去有機物后， SiC與C顆粒清晰可見，隨后經(jīng)過滲硅處理，Si與C反應生成新的SiC使微觀結(jié)構(gòu)變得致密，最后用酸蝕除去殘余的Si，整個過程中，微觀結(jié)構(gòu)均勻性較好。

圖3 不同狀態(tài)樣品的微觀結(jié)構(gòu):a)燒結(jié)，b)滲硅，c) 酸蝕

樣品的楊氏模量為356.3±7.9 GPa，與其他文獻報道的20vol%殘留硅的反應燒結(jié)碳化硅相當，還具有19.8 GPa的維氏硬度，能與傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的反應結(jié)合碳化硅相媲美，但經(jīng)四點彎曲試驗得到的彎曲強度為224.4±86.0 MPa，略低于其他文獻報道的190 ~ 350 MPa。

參考文獻：
Wahl L, Lorenz M, Biggemann J, et al. Robocasting of Reaction Bonded Silicon Carbide Structures[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2019.