德国纽伦堡大学开展3D打印反应烧结碳化硅新型工艺

供稿人:陈锐光，连芩
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室

碳化硅(SiC)具有良好的抗热震性和化学稳定性，因此在高温和极端条件下具有良好的应用前景，在工程陶瓷领域具有广泛的应用，如轴承、燃气轮机和以及换热器等。但SiC陶瓷很难加工，尤其是形成复杂形状，而传统工艺如粉末烧结和薄膜沉积固结存在诸多限制，影响其高温性能、环境抗性和高强度等优良性能的发挥。

德国纽伦堡大学开展了一种制备反应结合碳化硅结构的新型工艺研究。研究者把SiC粉以及碳粉分散在粘结剂中作为材料，用安装在六轴机械臂上的喷嘴挤出堆积成形，在700℃高温热解和1850 ℃高温热处理后，采用液态硅渗透技术对样品进行渗透，获得致密的近净形RBSC结构。利用直径为1.5 mm和 0.5 mm的喷嘴打印出如图1所示的网格微观结构，具有不错的精度。

图1 1.5mm（a）和0.5mm（b）喷嘴打印的网格结构

从CAD模型到打印出一个流线结构，再对其进行热解和反应烧结，该过程证明了该工艺能够成形复杂形状，并具有良好的结构稳定性和近净成形能力，如图2。

图2 流线结构的CAD模型（d）、成形件（e）及渗硅件（f）

样品的微观图像如图3，经热解除去有机物后， SiC与C颗粒清晰可见，随后经过渗硅处理，Si与C反应生成新的SiC使微观结构变得致密，最后用酸蚀除去残余的Si，整个过程中，微观结构均匀性较好。

图3 不同状态样品的微观结构:a)烧结，b)渗硅，c) 酸蚀

样品的杨氏模量为356.3±7.9 GPa，与其他文献报道的20vol%残留硅的反应烧结碳化硅相当，还具有19.8 GPa的维氏硬度，能与传统工艺生产的反应结合碳化硅相媲美，但经四点弯曲试验得到的弯曲强度为224.4±86.0 MPa，略低于其他文献报道的190 ~ 350 MPa。

参考文献：
Wahl L, Lorenz M, Biggemann J, et al. Robocasting of Reaction Bonded Silicon Carbide Structures[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2019.