基于熔融沉积快速成型技术的碳化硅陶瓷零件制造工艺方法

摘要

本发明提出了一种基于熔融沉积快速成型(FDM)技术的碳化硅陶瓷复合材料零件制造工艺方法，其基础原理是熔融沉积快速成型工艺和反应烧结碳化硅技术的结合。主要的工艺方法是以酚醛树脂为制件成型原料，通过快速成型工艺制成原型，为碳化硅陶瓷的外形和内部组织提供有机模板，通过热解工艺转化为无机模板——三维碳支架。然后进行高温渗硅，硅在碳支架上进行原位反应形成碳化硅陶瓷及其复合材料构件。该方法改变了传统的陶瓷构件制备工艺过程，克服了传统工艺难以制造形状复杂、尺寸精密的陶瓷制件的不足，实现了碳化硅陶瓷的无模精密制造。

说明书

                     技术领域

本发明涉及一种陶瓷制件的新工艺，特别是形状复杂、尺寸精度高的基于酚醛树脂快速原型热解的碳化硅陶瓷复合材料成型工艺方法。

                    背景技术

碳化硅陶瓷材料是最重要的高性能工程陶瓷材料之一，其制件在石油化工、航空航天、国防军工等领域有广泛的应用和迫切的需求。传统的制备工艺是从粉末原料制成坯体，然后高温烧结制造出构件，这种方法的坯体制作无论从尺寸精度还是形状复杂程度上都不能满足要求。目前最常用的方法是粉料的塑性成型，但是它对原料的流变特性要求高，且碳化硅材料可塑性差，也难以塑性成型出复杂精密的制件。近来出现的用木材、天然纤维等为有机模板原位转化制备碳化硅陶瓷制件的方法，因天然木材或纤维结构不均匀，个体差异大，很难满足要求。而且大量消耗木材不符合环保要求。

                    发明内容

为了满足应用的要求，克服碳化硅陶瓷质地硬、后期加工难以及已知工艺方法存在的缺陷或不足，本发明提出一种基于熔融沉积快速成型技术的碳化硅陶瓷零件制造工艺方法，该工艺可以制造出内部组织均匀、形状复杂和成型精度高的有机模板，进而制造出形状复杂、尺寸精确、无需后期去料加工的碳化硅陶瓷制件。

为了实现上述任务，本发明采用的技术解决方案是：一种基于酚醛树脂快速原型热解的碳化硅陶瓷复合材料成型工艺方法，以酚醛树脂和无机硅为原料，采用熔融沉积快速原型工艺与反应型碳化硅制备工艺相结合，其特征在于，具体包括下列步骤：

1)根据实际要求，构造制件的三维数据模型，并将数据模型转化为STL格式文件；

2)用FDM快速成型机自身的分层软件做分层处理，并将处理数据导入制造程序中；

3)材料选用醇溶性的酚醛树脂、淀粉和苯璜酰氯，其重量比为100∶20∶8，充分搅拌使它们混合均匀；

4)将配制的材料加入快速成型机喷头中，然后向喷头中通入0.5Mpa的压缩空气，调整工作台的运动速度为30mm/s；在工作台上设置加热板，并将加热板表面温度控制在80℃；喷头在制造程序的控制下，根据步骤2)的分层数据走出每层的运动轨迹，同时酚醛树脂混合液在压缩空气的作用下从喷嘴中喷出形成每层的实体，逐层堆积，并加入支撑材料，形成酚醛树脂的快速原型；

5)将快速原型放入烘干箱中进行后期固化，烘干起始温度为60℃，每10小时将温度升高20℃，直至温度升到200℃时停止，取出进行碳化；

6)将得到的酚醛树脂原型放入坩锅，并置入真空高温炉中碳化，升温速度：每小时100℃，碳化温度：800℃～1000℃，保温时间为：1～2h，然后随炉冷却至室温取出，得到制件的三维碳支架；

7)制件的三维碳支架放入石墨坩锅并用Si粉包埋，然后将坩锅放进真空高温炉中并盖上坩锅盖子，然后加热，升温速度：每小时600℃，反应温度：1450℃～1550℃，保温时间为：0.5～1h，再升至1600℃，抽真空排Si20～30min，随炉冷却至室温取出，即可获得碳化硅及其复合材料的制件。

本发明的方法改变了传统的陶瓷构件制备工艺过程，可以制造出任何结构形状复杂、尺寸精度高的碳化硅陶瓷制件。为小批量生产碳化硅陶瓷及其复合材料制件提供了新的工艺方法，大大提高了高温结构部件和定制化产品的研制速度，实现了碳化硅陶瓷复合材料的无模精密制造。

                    附图说明

图1是本发明的工艺流程图；

图2是制件三维模型图；

图3是酚醛树脂快速原型加工示意图；图中的符号表示为：1.喷头I、2.酚醛树脂混合料、3.压缩空气管路、4.喷头II、5.聚乙烯、6.加热套、7.酚醛树脂原型、8.加热板、9.温度传感器、10.三维工作台。

图4是碳化示意图；图中的符号表示为：21.制件、22.坩锅、23.真空高温炉；

图5是渗Si反应示意图，图中的符号表示为：1.坩锅盖、2.制件、3.坩锅、4.Si粉、5.炉体。

以下结合附图和发明人给出的实施例对本发明作进一步的详细描述。

                     具体实施方式

本发明的基于熔融沉积快速成型技术的碳化硅陶瓷零件制造工艺方法，通过FDM快速成型工艺制成原型，为碳化硅陶瓷的外形和内部组织提供有机模板，通过热解工艺转化为无机模板——三维碳支架。然后进行高温渗硅，硅在碳支架上进行原位反应形成碳化硅陶瓷及其复合材料构件。

实施例1：

参见图1，本发明的工艺步骤包括：

1.3D模型设计步骤，根据实际要求，用Pro/E软件构造制件的三维数据模型，如图2所示；并将图2所示模型存储为STL格式文件；

2.用快速成型机自带的分层软件做分层处理，并将处理数据导入制造程序中；上述步骤均是本领域的成熟技术。

3.取2130#酚醛树脂100g，淀粉20g，苯璜酰氯8g放入容器中，用搅拌器搅拌10min使其混合均匀制成原料。

4.如图3所示，在西安交通大学的FDM快速成型机上制造酚醛树脂原型。将步骤3配制的酚醛树脂混合料2注入喷头I(1)中，喷头II(4)中加入聚乙烯颗粒，在喷头II外围有加热套6，其温度控制在120℃，喷头下方的加热板8，和传感器9，并将加热板温度控制在80℃，压缩空气的压力为0.5MPa。在此条件下运行快速成型机，三维工作台10运动速度设置为30mm/s。这样，工作台在步骤2生成的程序数据的控制下按照每层的轮廓运动，同时，压缩空气将喷头I(1)中的原料挤出，逐层堆积生成酚醛树脂原型7，同时将喷头II中的聚乙烯材料挤出，在需要的地方生成支撑。

带有支撑的酚醛树脂原型7成型后，将其放入温度为150℃的烘干箱中使聚乙烯支撑熔化自然去除。

5.将酚醛树脂原型7放入烘箱中进行深度固化。烘箱起始温度设为60℃，每10小时将温度升高20℃，直到200℃为止，得到图3的制件21，然后取出进行碳化。

6.碳化的过程是，将制件21放入坩锅22中(图3)，放进真空高温炉23中碳化，升温速度：100℃/h，碳化温度：800℃，保温时间为：1h，然后随炉冷却至室温取出，得到制件的三维碳支架32(图4)；

7.在石墨坩锅中放入三维碳支架32并用Si粉34包埋，Si粉粒径为100μm，将坩锅22放进真空高温炉中并盖上坩锅盖子31，然后放进真空高温炉23中加热，如图4所示。升温速度：600℃/h，反应温度：1500℃，保温时间为：0.5h，再经1600℃抽真空排Si 20min，随炉冷却至室温取出，硅与碳支架产生化学反应，获得碳化硅及其复合材料的制件；

8.对制件进行表面清理即可得到碳化硅及其复合材料的制件。

实施例2：

本实施例与实施例1所不同的是，在步骤4中，三维工作台10运动速度设置为25mm/s，步骤6中的碳化温度：1000℃，保温时间为：0.5h；步骤7中，Si粉粒径为50μm，反应温度：1550℃，保温时间为：1h，其余均同实施例1。

实施例3：

本实施例与实施例1所不同的是，在步骤4中，三维工作台10运动速度设置为20mm/s，步骤6中的碳化温度：1000℃，保温时间为：0.5h；步骤7中的Si粉粒径为75μm，反应温度：1500℃，保温时间为：1h，其余均同

实施例1。