激光熔覆实现高温陶瓷“零突破”

本文摘要：耐高温陶瓷可用作生产发动机热端部件、火箭燃烧室和头锥等组件，这些组件要对付高温或极端环境。困难在于这些热平稳工程陶瓷不更容易铸或加工成适当的简单外形。 最近几年，3D打印机工艺的研发大大增加了生产陶瓷的几何灵活性。但是无论是沉积包括陶瓷微粒的光敏树脂的工艺，在陶瓷微粒上喷气粘结剂的工艺，还是利用激光熔融陶瓷粉末床，当前的增材生产手段都不受生产速度的容许。 而且，常常预示费时的粘结剂清理过程。

耐高温陶瓷可用作生产发动机热端部件、火箭燃烧室和头锥等组件，这些组件要对付高温或极端环境。困难在于这些热平稳工程陶瓷不更容易铸或加工成适当的简单外形。　　最近几年，3D打印机工艺的研发大大增加了生产陶瓷的几何灵活性。但是无论是沉积包括陶瓷微粒的光敏树脂的工艺，在陶瓷微粒上喷气粘结剂的工艺，还是利用激光熔融陶瓷粉末床，当前的增材生产手段都不受生产速度的容许。

而且，常常预示费时的粘结剂清理过程。无论如何，最后组件的物理性质都不是拟合的，不会产生不可信、较低强度的零件，而经常出现瓦解孔隙、裂纹和/或不均匀分布。

　　一项新的增材生产技术由波音和通用汽车牵头享有的HRL实验室研发出来，并检验了其更慢、更加不易生产简单外形高强陶瓷组件的能力。HRL的高级化学工程师Eckel和化学家发明者了一种聚合物树脂配方，需要3D打印机成具备简单外形的生零件，然后在炉中烧成，树脂浸渍，零件均匀分布膨胀成高密度陶瓷。　　HRL项目经理回应：有了我们的新型3D打印机工艺，我们可以充分利用碳氧化硅陶瓷的许多优良性质，还包括高硬度、强度和温度能力，以及耐用和耐腐蚀性。这样的蜂窝陶瓷材料需要作为高温应用于中的轻质、支撑三明治板的芯体，比如高超飞行器和喷气发动机。

　　打印机陶瓷前驱体单体　　Eckel回应：我们必要从陶瓷前驱体聚合物打印机仅有颗粒零件。首个方法是立体平板印刷，我们用激光凝结、单体一种类似的紫外烧结陶瓷前驱体树脂和一个紫外光引起剂，以成形简单外形，但这仍须要数小时甚至数天。

　　这是为什么HRL团队还注目自产的技术，需要更慢地大批生产生零件。作为一项持续10年的目的研发轻质、高强材料的DARPA合约的一部分，研究人员研发了一种方法，使紫外光在前驱体树脂槽全程都集中于直到底部，加快生产。　　技巧在于用于紫外灯穿越平版印刷蒙版中的孔的同时凝结材料，与此同时，在受照轴内校准光线以全程硬化直到底部。

在这个自蔓延到光聚物波导方法中，光通过一个波导效应，基于对树脂柱的内部表面倒数向上光线，而击穿它。这个工艺建构了尤其轻质但高强的桁架结构。　　我们生产了一个超轻镍微栅格，继续是世界上最重的材料；现在是世界最重的金属材料。

　　多陶瓷配方　　今天他们正在将这种增材生产技术应用于高温陶瓷组件。两种紫外硬化工艺可以最后生产许多有所不同的陶瓷材料，但是最开始团队检验了一种碳氧化硅陶瓷，成形为一种简单多孔的轻质结构，需要抵抗多达1700C(3092F)的超高温，展现10倍于类似于蜂窝陶瓷材料的强度。

　　Eckel回应：从技术上谈，非晶态挤压微结构是一种玻璃和碳的混合物；在纳米尺度它隔开为识的二氧化硅区域，被石墨层环绕着。我们利用了某种类似的化学。陶瓷前驱体聚合物和聚合物派生陶瓷十分广泛。

这类材料最初在20世纪60年代研制出来。　　当在一个惰性气氛如氩气中热处理到1000C(1832F)使，它们浸渍，成形为许多陶瓷化合物，还包括碳化硅、氮化硅、氮化铝和多种碳氮化物。同时，溶解化学物如甲烷、氢、二氧化碳、水和烃等走掉，留给近乎颗粒的、增大的陶瓷外形。　　通过把多种有机分子群与无机硅基或碳基主成分如硅氧烷、硅氮烷或碳硅烷黏合，研究团队需要设计这种紫外活跃的陶瓷前驱体单体，它在有助于太阳光时反感交联。

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