德國(guó)紐倫堡大學(xué)開(kāi)展3D打印反應(yīng)燒結(jié)碳化硅新型工藝

供稿人:陳銳光，連芩
供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

碳化硅(SiC)具有良好的抗熱震性和化學(xué)穩(wěn)定性，因此在高溫和極端條件下具有良好的應(yīng)用前景，在工程陶瓷領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，如軸承、燃?xì)廨啓C(jī)和以及換熱器等。但SiC陶瓷很難加工，尤其是形成復(fù)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(qiáng)度等優(yōu)良性能的發(fā)揮。

德國(guó)紐倫堡大學(xué)開(kāi)展了一種制備反應(yīng)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(jī)械臂上的噴嘴擠出堆積成形，在700℃高溫?zé)峤夂?850 ℃高溫?zé)崽幚砗?，采用液態(tài)硅滲透技術(shù)對(duì)樣品進(jìn)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(cuò)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(gè)流線結(jié)構(gòu)，再對(duì)其進(jìn)行熱解和反應(yīng)燒結(jié)，該過(guò)程證明了該工藝能夠成形復(fù)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(jī)物后， SiC與C顆粒清晰可見(jiàn)，隨后經(jīng)過(guò)滲硅處理，Si與C反應(yīng)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(gè)過(guò)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(xiàn)報(bào)道的20vol%殘留硅的反應(yīng)燒結(jié)碳化硅相當(dāng)，還具有19.8 GPa的維氏硬度，能與傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的反應(yīng)結(jié)合碳化硅相媲美，但經(jīng)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)得到的彎曲強(qiáng)度為224.4±86.0 MPa，略低于其他文獻(xiàn)報(bào)道的190 ~ 350 MPa。

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