增材頂刊：約翰霍普金斯團(tuán)隊打印出晶格狀超高溫碳化物陶瓷

2022年12月2日，南極熊獲悉，來自約翰霍普金斯大學(xué)的一組研究人員利用市面上的激光粉末床燒結(jié)（SLS）系統(tǒng)和管式燒結(jié)爐，成功地制造出了晶格狀超高溫陶瓷（UHTCs）部件。這種材料傳統(tǒng)上很難打印，但由于新的研究，這種情況有望得到改變。

△圖形概要

相關(guān)研究內(nèi)容以題為 "反應(yīng)式兩步法增材制造超高溫碳化物陶瓷/Reactive Two-Step Additive Manufacturing of Ultra-high Temperature Carbide Ceramics"的論文發(fā)表在《Additive Manufacturing》期刊上。

論文鏈接：sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2214860422007072

超高溫陶瓷 （UHCTs）

UHCTs是耐火陶瓷，因其在超高溫下的高穩(wěn)定性而引人注目（因此得名）。它們是需要抵御極端溫度（>2000°C）的應(yīng)用的理想候選結(jié)構(gòu)材料，如熱保護(hù)產(chǎn)品或用于制造加熱元件的散裝材料。

除了在抵御高溫方面表現(xiàn)出色外，它們還非常適用于組件可能要承受高機(jī)械負(fù)荷或侵蝕性氧化環(huán)境的情況。

△打印的試樣的熱沖擊測試。(圖片來源：約翰霍普金斯大學(xué))

研究人員一直在開發(fā)一種方法，特別是3D打印一種類型的UHTC，即那些使用碳化鈦（TiC）的UHTC，這是一種極其堅硬的難熔陶瓷材料，類似于碳化鎢。

過去，用3D打印制造TiC結(jié)構(gòu)一直很困難，主要是因?yàn)椴牧现袕?qiáng)烈的共價離子和金屬鍵減緩了原子擴(kuò)散，阻止了燒結(jié)。

事實(shí)證明，干粉和膠體成型的制造過程是復(fù)雜的，因此，需要高的后處理溫度和壓力輔助技術(shù)來生產(chǎn)這些材料的致密部件。而且，由于這些工藝是非加成性的，它們?nèi)狈υ霾闹圃斓膬?yōu)點(diǎn)，如生產(chǎn)復(fù)雜幾何形狀的能力。

使用商業(yè)上可用的系統(tǒng)，如塑料激光粉末床燒結(jié)系統(tǒng)和管式爐，研究小組能夠以亞毫米的分辨率生產(chǎn)UHTC立方體和網(wǎng)格，從而證明確實(shí)可以用增材制造技術(shù)來實(shí)現(xiàn)超高溫材料的成形。

制造過程

第一階段是使用SLS系統(tǒng)（SinteritLisa Pro）來燒結(jié)與聚合物粘合劑混合的鈦前體，以生產(chǎn)生坯部件。為了與氬氣兼容，對密封的建造室進(jìn)行了改造，并安裝了動態(tài)氧氣監(jiān)測裝置，以防止鈦氧化。

接下來，生坯部件在管式爐中的CH4（甲烷）中進(jìn)行等溫的氣固轉(zhuǎn)換，以形成TiCx結(jié)構(gòu)。換句話說，聚合物粘合劑的熱解導(dǎo)致產(chǎn)生足夠的碳以促進(jìn)Ti轉(zhuǎn)化為TiCx。

為了完成轉(zhuǎn)化為TiC的反應(yīng)，需要進(jìn)一步加工。為此，在CH4中的反應(yīng)性后處理導(dǎo)致了高達(dá)98.2wt%的TiC0.90的產(chǎn)品產(chǎn)量，并減少了固結(jié)時的凈收縮率。這種減少是由于與Ti到TiC的轉(zhuǎn)化有關(guān)的體積膨脹。

△晶格狀生坯的脫粉。(圖片來源：約翰霍普金斯大學(xué))

研究人員選擇了兩種不同的打印幾何形狀來評估成品部件的不同質(zhì)量。他們打印了一個1.5×1.5×1.5cm的立方體（以評估各向異性的體積變化、部件密度和CH4滲透的影響）和一個晶格結(jié)構(gòu)（以評估分辨率和精度）。

這里有一些關(guān)于基于TiC基UHCTs的基礎(chǔ)知識：TiC具有極高的熔點(diǎn)（3067℃），并且是所有碳化物中硬度最高的。它還具有任何已知材料中最高的抗壓強(qiáng)度，下面的打印晶格圖像很好地證明了這一點(diǎn)。

△最終打印的晶格部件在一大塊混凝土的擠壓下保存下來。(圖片來源：約翰霍普金斯大學(xué))

表面上看，這項(xiàng)研究是成功的。該團(tuán)隊表示，隨著進(jìn)一步的探索和研究，這種3D打印UHTCs的兩步法可以應(yīng)用于其他碳化物，如ZrC、HfC或TaC，這些碳化物很難，甚至不可能用3D打印技術(shù)來制造。