三维打印成型工艺制备陶瓷基材料的新进展

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1、三维打印成型工艺制备陶瓷基材料的新进展NewProgressinFabricatingCeramic-BasedMaterialsbyThree-DimensionalPrinting西北工业大学研究生院陈超西北工业大学超高温结构复合材料国防科技重点实验室殷小玮陈超毕业于西北工业大学，现任西北工大研究生院助理研究员。三维打印成型是一种快速原型技术，可将计算机设计的三维模型构建成三维实体。采用三维打印成型工艺和反应熔体渗透工艺相结合制备复合材料，可在较大范围内设计材料成分和微结构，并可近尺寸制备复杂形状的部件。该方法为航空领域热结构部件的设计和制造提供了新途径

2、。58航牵制造技术·2010年第2期采用三维打印成型工艺和反应熔体渗透工艺相结合制备复合材料，可在较大范围内设计材料成分和微结构，并可近尺寸制备复杂形状的部件。该方法为航空领域热结构部件的设计和制造提供了新途径。三维打印成型工艺三维打印(ThreeDimonsionPrinting，3DP)是一种快速原型技术，可将计算机设计的三维模型数据分为层片模型数据，将特定原材料一层一层堆积成型直至完成整个实体的构建⋯。如图l为三维打印后埋在粉体中的三维打印部件。3DP成型具有成本低、工作过程无污染、成型速度快等优点，目前多应用于多孔陶瓷过滤件和医学工程等领域幢1。其中

3、，采用间接三维打印工艺可以控制多孔陶瓷的细观孔隙分布。通过控制打印粉体的预处理工艺，即可调节粉体粒径及粒径分布等参数。调节打印工艺参数(如粉体层厚度和打印液的流变参数)，即可改变打印部件的精度、孔隙率、孔隙分布和表面粗糙度等。可通过预烧结等工艺达到提高多孔陶瓷坯体强度和形状稳定的目的。3DP已被证明可以制造各种由金属、陶瓷和聚合物材料组成的复杂形状部件b。l。与聚合物基材料不同，采用三维打印工艺制造金属和陶瓷部件仍然处于研发阶段，需要找到新材料和新方法克服现有工艺的不足。3DP的工艺特点为粉体颗粒堆垛并由粘结剂粘结在一起，3DP坯体的孔隙较多，这导致3DP部

4、件的强度较低。为了提高3DP材料的强度，需要采用后处理工艺，其中常用的后处理工艺为烧结工艺，其烧结温度需要一临界值，既保证提高材料密度又不改变材料组织结构和部件外形结构。但是，烧结后的材料线收缩率很大，例如采用3DP工艺制备的致密Inconel718部件体积收缩高达19．5％～21．5％例。对于陶瓷基材料，制备致密部件尤其需要采用合适的后处理工艺，这是近几年研究的一个难点。本文将重点介绍采用三维打印工艺制备新型陶瓷基材料的研究状况。三维打印成型工艺制备Ti3SiC2陶瓷在1972年，Nickl等人采用化学气相沉积(CVD)法制备单晶时隅’，发现了特别软的碳化

5、物Ti，SiC：。其硬度表现为各向异性，垂直于基面的硬度是平行于基面硬度的三倍。近年来，TLSiC，三元层状碳化物因其兼具陶瓷和金属的优异性能而成为研究热点。与超合金相比，Ti§iC，具有优异的高温性能和疲劳损伤性能。’在Ti3SiC2晶胞中，共棱的Ti6C八面体被紧密堆积的Si原子层所分隔，其中Ti与C之间为典型的强共价键，而Si原子层平面与Ti之间为类似于石墨层间的弱结合【9】。Ti3SiC2熔点高达3000V，在1700V以下真空及惰性气氛中不分解。Ti，SiC：结构中存在的层间弱结合力价键使其具有平行于基面的开裂能力，在断裂时表现出R曲线行为，韧性可

6、达16MPa·m1／2【lo】。Ti，SiC，陶瓷的制备方法通常有自蔓延高温反应法、等离子放电烧结法、反应热压法等。以上工艺都需要采用成型模具，这些模具的制造成本高且周期长，如果部件形状太复杂，则可操作性差。这些因素制约了Ti3SiC2陶瓷的应用，而三维打印成型工艺可克服以上工艺的不足。W．Sun等人的研究表明HJ，采用三维打印制备的Ti，SiC：陶瓷件孔隙率高达50％～60％，而三维打印结合冷等静压和烧结工艺可制备出致密的Ti3SiC2陶瓷，致密度可达99％。制备过程为：先采用反应热压法将Ti．石墨和SiC反应生成Ti3SiC2，然后研磨成Ti3SiC2粉

7、体；Ti，SiC，粉体与水溶基粘结剂混合干燥后球磨过筛，Ti，SiC，粉体颗粒表面被粘结剂包覆，过筛后的颗粒直径为40“m；在三维打印过程中，水基溶液喷射在包覆粘结剂的TLSiC，颗粒粉体上，Ti，SiC，颗粒被粘结成具有特定形状的颗粒预制体；在冷等静压过程中，Ti，SiC：颗粒预制体被致密化；烧结过程中，致密化的Ti，SiC2颗粒预制体被烧结成致密的陶瓷。以上复合工艺具有显著的优点，在制备新型陶瓷部件方面极具潜力。但是这种工艺的线收缩率较大，高达27％～32％H1。因此，如何克服三维打印工艺制备材料孔隙率大以及后处理工艺线收缩率大的不足成为研究的重点。三维

8、打印成型工艺制备Ti3AIC2增韧TiAl3-一A1