德國紐倫堡大學開展3D打印反應燒結碳化硅新型工藝

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)工藝如粉末燒結和薄膜沉積固結存在諸多限制，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合碳化硅結構的新型工藝研究。研究者把SiC粉以及碳粉分散在粘結劑中作為材料，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)硅滲透技術對樣品進行滲透，獲得致密的近凈形RBSC結構。利用直徑為1.5 mm和 0.5 mm的噴嘴打印出如圖1所示的網格微觀結構，具有不錯的精度。

圖1 1.5mm（a）和0.5mm（b）噴嘴打印的網格結構

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

圖2 流線結構的CAD模型（d）、成形件（e）及滲硅件（f）

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

圖3 不同狀態(tài)樣品的微觀結構:a)燒結，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)工藝生產的反應結合碳化硅相媲美，但經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.