基于激光3d打印技术的复杂结构碳化硅陶瓷零件制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于激光3D打印技术的复杂结构碳化硅陶瓷零件制造方法，该方法包括以下步骤：第一步将碳化硅陶瓷粉末、粘结剂、硅源材料、碳源材料以及丙酮或甲醇或乙醇溶剂放入球磨罐中进行混料，干燥后得到复合陶瓷粉末；第二步，使用激光3D打印机烧结成型制得陶瓷初坯；第三步，将陶瓷初坯放入氩气中进行热解处理；第四步高温烧结，最终得到复杂结构碳化硅陶瓷零件。在激光3D打印阶段，部分粘结剂直接被热解同时碳源材料与硅源材料发生预反应烧结形成碳化硅，填充粘结剂热解后留下的孔隙，提高了坯体致密度，使坯体的强度得到保证，减少了产生裂纹的可能性。此外由于在原材料中加入了硅源与碳源，无需通过后续渗硅等操作即可获得致密度高的碳化硅陶瓷零件。
【专利说明】
基于激光3D打印技术的复杂结构碳化括陶瓷零件制造方法
技术领域
[0001] 本发明属于陶瓷材料制备技术领域，具体设及一种基于激光3D打印技术的复杂结 构碳化娃陶瓷零件制造方法。
【背景技术】
[0002] 碳化娃陶瓷材料是一种具有耐高溫、耐磨损、耐酸碱等优良性能的陶瓷材料，广泛 应用于航空航天、电子制造、车辆舰船等领域。但是，由于碳化娃材料硬度高、脆性大的特点 导致复杂结构的零件成形、加工非常困难，传统的工艺方法一般需通过复杂的模具完成零 件成形。在如今的信息时代，产品的更新换代速度非常快，而复杂模具的开发制造需要投入 较多的时间和成本，显然，运很容易与市场发生脱节。
[0003] 激光3D打印技术是一种基于离散/堆积原理的材料成型方法，该技术使用CAD软件 在计算机中画出Ξ维实体，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束将金属粉末、陶 瓷粉末、塑料等材料进行逐层堆积，制造出实体产品。利用激光3的T印技术来成型碳化娃陶 瓷粉末具有下列优点：（1)无需模具，使生产过程更加集成化，缩短了制造周期，提高了生产 效率；（2)可W成型复杂结构的产品；（3)成型体几何形状及尺寸可W根据实际需要通过计 算机软件修改，无需等待模具设计制造，大大缩短新产品的开发时间。
[0004] 目前，典型的激光3D打印技术包括激光选区烧结（Selective Laser Sintering， 化S)和激光选区烙化(Selective Laser Melting,SLM)等。碳化娃陶瓷材料的烧结溫度高， 若使用SLM直接烧结成型，由于急热急冷效应很容易导致产品出现裂纹。若使用SLS技术成 型碳化娃陶瓷零件，需要先制备树脂粘接剂/碳化娃陶瓷复合粉末材料，然后放进化S设备 进行激光烧结成型得到陶瓷巧体，再对巧体进行热解处理来除去树脂粘结剂。在热解过程 中巧体内会产生许多孔隙，为了得到致密的碳化娃产品，最后通常会对热解后的巧体进行 渗娃反应烧结。此外，上述化S工艺成型碳化娃陶瓷零件存在W下问题：（1)整个工艺流程时 间长；（2)热解除去粘结剂过程中，产生的孔隙会导致巧体的密度、强度下降，脆性增大，严 重的情况会使得巧体溃散；（3)在渗娃过程中渗娃量不易控制，容易产生娃富集，使得材料 变脆、抗蠕变性能降低，并且巧体内渗娃通路易发生阻塞，导致巧体强度不均匀，容易产生 裂纹等致命缺陷，降低成品率。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于解决现有碳化娃陶瓷零件制造过程中存在的诸多问题，提供一 种基于激光3D打印技术的复杂结构碳化娃陶瓷零件制造方法。该方法操作简单易于推广使 用，无需后续渗娃步骤即可制得强度较高、结构复杂的碳化娃陶瓷零件。本发明的技术方案 如下：
[0006] -种基于激光3D打印技术的复杂结构碳化娃陶瓷零件制造方法，包括W下步骤：
[0007] (a)按所需比例称取碳化娃陶瓷粉末、粘结剂、娃源材料、碳源材料，将上述原料放 入球磨罐中并加入足量有机溶剂，混料均匀后加热使溶剂挥发得复合碳化娃陶瓷粉末。
[0008] (b)将复合碳化娃陶瓷粉末置于激光3D打印机中并预热，按照设计的模型层层堆 积成型陶瓷零件初巧。
[0009] (C)将陶瓷零件初巧置于保护气氛中进行热解处理。
[0010] (d)热解后的陶瓷零件按照一定的烧成制度进行烧结，得到复杂结构的碳化娃陶 瓷零件。
[0011] 上述方案中，粘结剂选自酪醒树脂、环氧树脂、硬脂酸、石蜡中的一种，娃源材料选 自娃粉、石英粉中的一种，碳源材料选自碳黑、石墨粉、淀粉中的一种，所述有机溶剂为甲 醇、乙醇、丙酬中的一种。
[0012] 上述方案中，碳化娃粉末占固体原料的质量百分比为60-85%，粘结剂占固体原料 的质量百分比为10-30%，娃源材料占固体原料的质量百分比为1-20%，余量为碳源材料。
[0013] 步骤(a)中混料时间为6-12h，混合均匀后先将混合料置于磁力揽拌器中加热蒸发 出部分溶剂，待残留少量液体溶剂时将混合料取出置于空气中加热，当溶剂完全挥发后将 混合料放入真空干燥箱中干燥24小时，待其冷却至室溫后经研磨、过筛得复合碳化娃陶瓷 粉末。
[0014] 步骤(b)中复合碳化娃陶瓷粉末在激光3D打印机中预热至50-90°C，激光3D打印机 采用的激光器为二氧化碳激光器，激光功率范围为0-200W。
[0015] 步骤(C)中陶瓷零件初巧在氣气气氛中按照W下方式进行热解:从室溫W3-5°C/ min的升溫速率升溫到110°C并保持30-60min，然后W 5 °C /min的升溫速率升溫到830°C并保 溫2-化，最后Wl-2°C/min的降溫速率冷却至室溫。
[0016] 步骤(d)中热解后的陶瓷零件真空烧结过程为:从室溫W5°C/min的升溫速率升溫 至2200°C并保溫2-化，接着W1 -2 °C /min的降溫速率冷却至室溫。
[0017] 相比于传统碳化娃陶瓷复杂结构零件成型方法，本发明方法具有W下有益效果： (1)使用溶剂沉淀法进行混料，干燥后粘结剂将包覆在碳化娃陶瓷粉末、娃源材料、碳源材 料上，包覆效果好，可W减少粘结剂的加入量从而减少烧结过程中的收缩体积和孔隙的数 量，提高了巧体的强度；（2)在激光3D打印阶段，由于使用高功率激光器，部分粘结剂直接被 热解，而碳源材料与娃源材料会发生预反应烧结形成碳化娃填充粘结剂热解后留下的孔 隙，提高了巧体致密度，使巧体的强度得到保证，减少了产生裂纹的可能性；（3)工艺流程简 单，在原材料中加入了娃源与碳源，无需再通过后续渗娃等操作即可获得致密度高的碳化 娃陶瓷零件，缩短了制造复杂结构碳化娃陶瓷零件的周期，降低了成本；（4)操作简单，易于 推广使用。
【附图说明】
[001引图1为本发明方法工艺流程图；
[0019] 图2为本发明方法中复合陶瓷粉末成型及致密化示意图。
【具体实施方式】
[0020] 为使本领域普通技术人员充分理解本发明的技术方案和有益效果，W下结合具体 实施例和附图进行进一步充分说明。
[0021] 本发明提供的基于激光3D打印技术制造复杂结构碳化娃陶瓷零件的工艺流程如 图1所示，首先采用溶剂沉淀法将碳化娃陶瓷粉末、粘结剂、娃源材料、碳源材料制作成复合 陶瓷粉末备用。再利用Ξ维造型软件(如化tia、UG、Pro/E)设计复杂结构陶瓷零件并进行建 模，将造型完成的Ξ维模型输出为STL格式文件，将该STL文件发送到激光3D打印中，使用切 片分层软件对STL进行分层处理，再将数据导入到制造程序中进行打印。激光3D打印机采用 的激光器为二氧化碳激光器，其激光功率范围为0-200W，设定其参数如下：分层厚度0 . Οδ? ?. 2mm， 填充速度 1800-2500mm/s ， 激光扫描间距0.08-0. 3mm， 激光扫描功率 0-200W， 激光轮 廓功率5-50W。打印出来的陶瓷初巧经热解处理后烧结可得到最终产品一复杂结构碳化娃 陶瓷零件。
[0022] 打印过程中，复合陶瓷粉末成型及致密化原理如图2所示。通过溶剂沉淀法制得的 复合粉末中，粘结剂已包覆到碳化娃、碳源材料、娃源材料上，经过激光3D打印成形，粘结剂 烙化且粘结在一起，并且部分碳源材料与娃源材料发生预反应烧结，结合形成SiC相。热解 后，粘结剂有机物裂解，剩下的产物为碳碳连接的碳骨架。最后，材料进行高溫烧结，碳源材 料与娃源材料进一步反应生成SiC，与此同时，巧体内物质通过不同的扩散途径向颗粒间的 空隙填充，随后，细小的颗粒逐渐形成晶界，并不断扩大晶界面积，使巧体逐渐致密。
[0023] 实施例1
[0024] 按W下配比称取各相应原料备用:碳化娃陶瓷粉末150克，酪醒树脂50克，石英粉 10克，石墨粉10克。
[0025] 将碳化娃陶瓷粉末、酪醒树脂、石英粉、石墨粉放入球磨罐中，倒入足量丙酬溶剂， 然后在球磨机上混料8小时。为了使溶剂能够更快地挥发掉，先将混合后的混合液置于磁力 揽拌器中加热使溶剂挥发，待还剩少量液体溶剂时，将其取出置于空气中加热继续挥发溶 剂，当溶剂完全挥发后将混合料放入真空干燥箱中干燥24小时，待冷却至室溫后将其研磨 过筛，得到复合碳化娃陶瓷粉末材料。
[00%]将上述复合碳化娃陶瓷粉末放入激光3D打印机中并将其预热到9(TC。设置好激光 3D打印机的参数后，在程序控制下打印出陶瓷零件初巧。
[0027] 将陶瓷零件初巧放入氣气保护气氛中进行热解处理，热解处理过程如下：首先从 室溫W3-5°C/min的升溫速率升溫到110°C并保持30-60min，然后W5°C/min的升溫速率升 溫到830°C并保溫2-化，最后W1 -2 °C /min的降溫速率冷却至室溫
[0028] 最后将热解后的陶瓷零件在真空烧结炉中烧结，烧结过程为:从室溫W5°C/min的 升溫速率升溫至2200°C并保溫2-化，接着Wl-2°C/min的降溫速率冷却至室溫。烧结完成W 后得到具有较高强度和初性的复杂结构碳化娃陶瓷零件。
[0029] 实施例2
[0030] 按W下配比称取各相应原料备用:碳化娃陶瓷粉末120克，酪醒树脂60克，娃粉10 克，淀粉10克。
[0031] 将碳化娃陶瓷粉末、酪醒树脂、娃粉、淀粉放入球磨罐中，倒入足量丙酬溶剂，然后 在球磨机上混料8小时。将混合后的混合液置于磁力揽拌器中加热使溶剂挥发，待还剩少量 液体溶剂时将其取出置于空气中加热继续挥发溶剂，当溶剂完全挥发后将混合料放入真空 干燥箱中干燥24小时，待冷却至室溫后将其研磨过筛，得到复合碳化娃陶瓷粉末材料。
[0032] 将上述复合碳化娃陶瓷粉末放入激光3D打印机中并将其预热到9(TC。设置好激光 3D打印机的参数后，在程序控制下打印出陶瓷零件初巧。
[0033] 将陶瓷零件初巧放入氣气保护气氛中按照实施例1的方式进行热解处理。
[0034] 最后将热解后的陶瓷零件在真空烧结炉中按照实施例1的烧成制度进行烧结，得 到具有较高强度和初性的复杂结构碳化娃陶瓷零件。
[0035] 实施例3
[0036] 按W下配比称取各相应原料备用:碳化娃陶瓷粉末120克，环氧树脂60克，娃粉10 克，炭黑粉10克。
[0037] 将碳化娃陶瓷粉末、环氧树脂、娃粉、炭黑粉放入球磨罐中，倒入足量乙醇溶剂，然 后在球磨机上混料9小时。将混合后的混合液置于磁力揽拌器中加热使溶剂挥发，待还剩少 量液体溶剂时将其取出置于空气中加热继续挥发溶剂，当溶剂完全挥发后将混合料放入真 空干燥箱中干燥24小时，待冷却至室溫后将其研磨过筛，得到复合碳化娃陶瓷粉末材料。
[0038] 将上述复合碳化娃陶瓷粉末放入激光3D打印机中并将其预热到55Γ。设置好激光 3D打印机的参数后，在程序控制下打印出陶瓷零件初巧。
[0039] 将陶瓷零件初巧放入氣气保护气氛中按照实施例1的方式进行热解处理。
[0040] 最后将热解后的陶瓷零件在真空烧结炉中按照实施例1的烧成制度进行烧结，得 到具有较高强度和初性的复杂结构碳化娃陶瓷零件。
[0041] 实施例4-6的原料共计lOOg，各原料的重量百分数参见下表。除了下述参数、条件 有所改变外，其他工艺及参数与实施例1相同，详情见下表。
[0042] 表1实施例4-6对比表
[0043]
[0044] 本发明基于激光3D打印技术制备复杂结构陶瓷零件的工艺方法，获得了具有一定 强度和初性的复杂结构碳化娃陶瓷零件。该发明在粉末当中添加了娃源、碳源材料，在激光 3D打印时，部分娃源碳源材料发生预烧结反应，克服了传统激光3D打印技术成型碳化娃陶 瓷存在的工艺流程长、热解后巧体强度低、渗娃过程易发生不良反应对工作人员造成危险 等缺陷。本发明的工艺流程简单，可W降低成本，在制作复杂碳化娃陶瓷零件上具有很大优 势。
[0045] W上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明保护的范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明掲露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于激光3D打印技术的复杂结构碳化硅陶瓷零件制造方法，其特征在于包括以 下步骤： (a) 按所需比例称取碳化硅陶瓷粉末、粘结剂、硅源材料、碳源材料，将上述原料放入球 磨罐中并加入足量有机溶剂，混料均匀后加热使溶剂挥发得复合碳化硅陶瓷粉末； (b) 将复合碳化硅陶瓷粉末置于激光3D打印机中并预热，按照设计的模型层层堆积成 型陶瓷零件初坯； (c) 将陶瓷零件初坯置于保护气氛中进行热解处理； (d) 热解后的陶瓷零件按照一定的烧成制度进行烧结，得到复杂结构的碳化硅陶瓷零 件。2. 如权利要求1所述的复杂结构碳化硅陶瓷零件制造方法，其特征在于:所述粘结剂选 自酚醛树脂、环氧树脂、硬脂酸、石蜡中的一种，所述硅源材料选自硅粉、石英粉中的一种， 所述碳源材料选自碳黑、石墨粉、淀粉中的一种，所述有机溶剂为甲醇、乙醇、丙酮中的一 种。3. 如权利要求1所述的复杂结构碳化硅陶瓷零件制造方法，其特征在于:碳化硅粉末占 固体原料的质量百分比为60-85%，粘结剂占固体原料的质量百分比为10-30%，硅源材料 占固体原料的质量百分比为1-20%，余量为碳源材料。4. 如权利要求1所述的复杂结构碳化硅陶瓷零件制造方法，其特征在于：步骤(a)中混 料时间为6_12h，混合均匀后先将混合料置于磁力搅拌器中加热蒸发出部分溶剂，待残留少 量液体溶剂时将混合料取出置于空气中加热，当溶剂完全挥发后将混合料放入真空干燥箱 中干燥24小时，待其冷却至室温后经研磨、过筛得复合碳化硅陶瓷粉末。5. 如权利要求1所述的复杂结构碳化硅陶瓷零件制造方法，其特征在于：步骤(b)中复 合碳化硅陶瓷粉末在激光3D打印机中预热至50-90°C，激光3D打印机采用的激光器为二氧 化碳激光器，激光功率范围为0-200W。6. 如权利要求1所述的复杂结构碳化硅陶瓷零件制造方法，其特征在于：步骤(c)中陶 瓷零件初坯在氩气气氛中按照以下方式进行热解:从室温以3_5°C/min的升温速率升温到 110°C并保持30-60min，然后以5°C/min的升温速率升温到830°C并保温2-3h，最后以1-2°C/ min的降温速率冷却至室温。7. 如权利要求1所述的复杂结构碳化硅陶瓷零件制造方法，其特征在于：步骤(d)中热 解后的陶瓷零件真空烧结过程为:从室温以5°C/min的升温速率升温至2200°C并保温2-3h， 接着以1 -2 °C /min的降温速率冷却至室温。
【文档编号】C04B35/565GK106083059SQ201610428335
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月15日
【发明人】刘凯, 谭沅良, 孙华君, 余际星, 黄尚宇
【申请人】武汉理工大学