核用氧化鋯耐火材料光固化增材制造工藝及性能研究

作者：張勤 1,2，趙朗朗 1,2，劉征 3 ，楊廷貴 1
（1.中核四 0 四有限公司 科學(xué)技術(shù)研究院，蘭州 732850；2.中核四 0 四成都核技術(shù)工程設(shè)計研究 院有限公司，成都 610000；3.南昌航空大學(xué) 航空制造工程學(xué)院，南昌 330063）

目的 為提高精密鑄造效率，縮短制模周期，利用光固化增材制造技術(shù)制備適合活潑金屬鑄造用的 ZrO2 陶瓷模具。方法 將光敏樹脂與納米級 ZrO2陶瓷粉體混合得到具有光固化性能的陶瓷漿料，采用數(shù)字光投影增材制造設(shè)備對陶瓷漿料進行逐層曝光，揭示不同固含量對陶瓷漿料固化性能的影響規(guī)律；利用光固化 3D 打印制備 ZrO2陶瓷生坯，經(jīng)過干燥、脫脂和燒結(jié)處理，獲得所需陶瓷樣件，并對成型后的 ZrO2陶瓷進行微觀組織表征、力學(xué)性能（壓縮和彎曲）和抗熱震性能測試。結(jié)果 在相同固化強度的基礎(chǔ)上，隨著 ZrO2陶瓷漿料固含量的增加，固化深度逐漸減小，固化寬度無明顯變化。光強度越高，固化深度和寬度均越大。選用固含量（體積分?jǐn)?shù)）為 50%的陶瓷漿料，在紫外光波長 405 nm、光強度 25 mW/cm2 、曝光時間 2 000 ms、層厚 30 μm 的工藝條件下制備 ZrO2陶瓷生坯，經(jīng)過最高溫度 450 ℃脫脂和最高溫度 1 525 ℃燒結(jié)處理，獲得了無變形和開裂的 ZrO2陶瓷樣件。陶瓷的壓縮和彎曲強度分別達到 2 943、833 MPa，與等靜壓工藝制備的陶瓷強度相當(dāng)，優(yōu)于其他 3D 打印工藝制備的陶瓷產(chǎn)品。光固化 3D 打印 ZrO2陶瓷在 800 ℃下熱震 10 次 和 1 400 ℃下熱震 5 次后才開始出現(xiàn)局部細小裂紋，滿足核冶金鑄造使用要求。結(jié)論 利用光固化 3D 打印技術(shù)可制備致密度大、強度高、抗熱震性能良好的陶瓷模具，是一種工藝簡單、效率高的新型陶瓷加工工藝，在核工業(yè)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。

圖1  ZrO2 陶瓷粉體粒徑分布曲線

圖2  ZrO2 陶瓷粉體的 SEM 形貌

圖3  ZrO2 陶瓷粉體的 X 射線衍射圖譜

圖4  不同固含量和光強度下 ZrO2 陶瓷漿料的固化特性

圖5  光固化 3D 打印 ZrO2 陶瓷生坯的 TG−DSC 曲線

圖6  光固化 3D 打印 ZrO2 陶瓷生坯的 SEM 形貌

圖7  光固化 3D 打印 ZrO2 陶瓷燒結(jié)后的微觀組織形貌和能譜分析

圖8  光固化 3D 打印 ZrO2 陶瓷燒結(jié)后的 X 射線衍射圖譜

圖9 光固化 3D 打印 ZrO2 陶瓷脫脂前和燒結(jié)后圓柱體試樣

圖10 光固化 3D 打印 ZrO2 陶瓷的維氏硬度

圖11 光固化 3D 打印 ZrO2 陶瓷的壓縮性能

圖12 光固化 3D 打印 ZrO2 陶瓷的壓縮斷口形貌

圖13 光固化 3D 打印 ZrO2 陶瓷的彎曲強度

圖14 光固化 3D 打印 ZrO2 陶瓷抗熱震性能測試的宏觀形貌

圖15 光固化 3D 打印 ZrO2 陶瓷抗熱震性能測試的表面形貌

總結(jié)：

基于光固化（DLP）3D 打印技術(shù)研究了不同固含量對陶瓷漿料固化性能的影響規(guī)律，分析了光固化 3D 打印 ZrO2 陶瓷的微觀組織、力學(xué)性能（壓縮和彎 曲）和抗熱震性能，得到以下主要結(jié)論。

1）隨著 ZrO2 陶瓷漿料固含量的增大，固化深度減小，固化寬度無明顯變化。光強度越高，固化深度和寬度均越大。選用固含量為 50%的 ZrO2 陶瓷漿料，在光強度 25 mW/cm2 、曝光時間 2 000 ms、層厚 30 μm 的條件下打印工藝制備 ZrO2 陶瓷坯體，經(jīng)過最高溫 度 450 ℃脫脂和最高溫度 1 525 ℃燒結(jié)處理，獲得了無變形和開裂的 ZrO2 陶瓷產(chǎn)品。

2）光固化 3D 打印 ZrO2 陶瓷產(chǎn)品的壓縮強度和彎曲強度可分別達到 2 943、833 MPa，2 種強度均與等靜壓工藝制備的陶瓷相當(dāng)，彎曲強度優(yōu)于其他 3D 打印工藝制備的陶瓷產(chǎn)品。光固化 3D 打印 ZrO2 陶瓷在 800 ℃下熱震 10 次和 1 400 ℃下熱震 5 次后才開始出現(xiàn)局部細小裂紋，滿足核冶金鑄造使用要求。

3）利用光固化 3D 打印技術(shù)可制備高性能的陶瓷產(chǎn)品，是一種工藝簡單、效率高的新型陶瓷加工工藝，對提高精密鑄造效率、縮短制模周期具有重要意義，在核工業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。