一种碳化硅陶瓷零件的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碳化硅陶瓷零件的制备方法，先将碳化硅粉末、硼粉和碳粉混合得到陶瓷粉末，再将陶瓷粉末与有机粘接剂混合均匀，得到混合浆料。将混合浆料装入3D打印成型设备中，利用可控紫外线光束，采用面曝光或点扫描的方式，根据零件三维模型逐层打印，制成碳化硅陶瓷零件粗坯。再将碳化硅陶瓷零件粗坯进行低温脱脂处理，使粗坯中的有机粘接剂蒸发溢出；再进行热等静压处理，获得致密的碳化硅陶瓷零件。本发明专利技术采用3D打印技术制造碳化硅陶瓷零件，零件的形状不受约束，并且致密性较好，解决了现有热压成型制备方法依赖模具，不适合小批量生产的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种碳化硅陶瓷零件的制备方法
本专利技术属于材料制备
，具体涉及一种碳化硅陶瓷零件的制备方法。
技术介绍
碳化硅(SiC)陶瓷，具有抗氧化性强，耐磨性能好，硬度高，热稳定性好，高温强度高，热膨胀系数小，热导率大以及抗热震和耐化学腐蚀等优良特性，在石油、化工、机械、航天、核能等领域广泛应用，如：SiC陶瓷轴承、滚珠、喷嘴、密封件、切削工具、燃汽涡轮机叶片、涡轮增压器转子、反射屏和火箭燃烧室内衬等。现有技术中制备碳化硅陶瓷零件的方法主要是热压成型，即：首先将陶瓷粉体和粘结剂按照一定比例混合调制成浆料，再将浆料注入特定模具中成型得到粗坯，之后将粗坯进行固相烧结得到陶瓷零件。该方法一方面需要按照零件的具体形状设计制作模具，不适合小批量生产，而且制作复杂零件的模具需要大量的人工成本和材料成本，制作的零件形状也受较大限制。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种碳化硅陶瓷零件的制备方法，该方法可以制造任意复杂形状的零件，解决了现有热压成型制备方法依赖模具，不适合小批量生产的问题。并且该方法制备周期短，得到的产品致密度高。本专利技术所采用的技术方案是，一种碳化硅陶瓷零件的制备方法，包括以下步骤：步骤1，原料配制将碳化硅粉末、硼粉和碳粉混合得到陶瓷粉末，再将陶瓷粉末与有机粘接剂混合均匀，得到混合浆料。步骤2，粗坯制造将混合浆料装入3D打印成型设备中，利用可控紫外线光束，采用面曝光或点扫描的方式，根据零件三维模型逐层打印，制成碳化硅陶瓷零件粗坯。步骤3，后处理将碳化硅陶瓷零件粗坯进行低温脱脂处理，使粗坯中的有机粘接剂蒸发溢出；再进行热等静压处理，获得致密的碳化硅陶瓷零件。本专利技术的特点还在于：陶瓷粉末按照体积百分比由0.2～0.5％的硼粉、0.5％～1％的碳粉和余量的碳化硅粉末组成，三者的体积百分比总和为100％。陶瓷粉末与有机粘接剂的体积比为2:3～7:3。优选地，碳化硅粉末的粒径在0.1～200微米。优选地，硼粉和碳粉的粒径均为0.2-20微米。优选地，有机粘接剂为环氧丙烯酸树脂、氨基丙烯酸树脂、聚氨酯丙烯酸酯或聚酯丙烯酸酯之一。优选地，逐层打印的层厚控制在20～80μm，光源波长为200～400nm。优选地，采用面曝光时，曝光时间为0.1-3s；采用点扫描时，光斑直径为0.1～0.15mm，光斑移动速度1-300mm/min。优选地，低温脱脂处理的温度400℃～800℃，时间2-4h。优选地，热等静压处理温度1800℃～2050℃、压强100MPa～200MPa、时间2-5h。本专利技术的有益效果是，本专利技术采用3D打印技术制造碳化硅陶瓷零件，零件的形状不受约束，缩短了传统方法的制造周期，提高了碳化硅陶瓷零件的制造效率，降低了制造成本。同时，通过在碳化硅粉末中同时添加特定含量的硼粉和碳粉，大幅度提高了碳化硅陶瓷的致密性。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术作进一步的详细说明，但本专利技术并不限于这些实施方式。本专利技术提供了一种碳化硅陶瓷零件的制备方法，包括以下步骤：步骤1，原料配制按照体积百分比将0.2～0.5％的硼粉、0.5％～1％的碳粉和余量的碳化硅粉末混合得到陶瓷粉末。为了提高碳化硅陶瓷零件粗坯在后续烧结过程中的致密化程度，本专利技术在碳化硅粉末中加入少量硼粉和碳粉，适量的硼粉可以固溶到碳化硅中，起到降低晶界能的作用，为碳化硅陶瓷的致密化提供有力的热力学条件。适量的碳粉在后续烧结过程中可以还原碳化硅粒子表面的氧化硅，消耗浆料混合过程中混入的杂质氧元素，提高熔融态碳化硅粒子的表面能，促进碳化硅粒子之间的致密熔合。但是，过量的硼粉会影响碳化硅陶瓷的韧性，过量的碳粉则会抑制碳化硅陶瓷的烧结，因此，在本专利技术陶瓷粉末中含有0.2～0.5％体积的B及0.5％～1％体积的碳粉，既保证了碳化硅陶瓷的致密性，又不会影响其烧结及韧性。为了进一步提高碳化硅的烧结致密度，碳化硅粉末的粒径控制在0.1～200微米，比表面积不小于10m2/g，硼粉和碳粉的粒径均控制在0.2-20微米。将混合好的陶瓷粉末与有机粘接剂按照2:3～7:3的体积比混合均匀，得到混合浆料。有机粘接剂为环氧丙烯酸树脂、氨基丙烯酸树脂、聚氨酯丙烯酸酯或聚酯丙烯酸酯之一。步骤2，粗坯制造将步骤1的混合浆料装入3D打印成型设备中，利用可控紫外线光束，采用面曝光或点扫描的方式，根据零件三维模型逐层打印，层厚控制在20～80μm，光源波长为200～400nm，若采用面曝光，每层曝光时间为0.1-3s；若采用点扫描，光斑直径为0.1～0.15mm，光斑移动速度为1-300mm/min。制成碳化硅陶瓷零件粗坯。步骤3，后处理为了降低有机粘接剂对碳化硅陶瓷强度的影响，将碳化硅陶瓷零件粗坯进行低温脱脂处理，温度控制在400℃～800℃，时间2-4h，使粗坯中的有机粘接剂蒸发溢出；之后，为了使碳化硅陶瓷零件粗坯致密化，将脱脂后的碳化硅陶瓷零件粗坯再进行热等静压处理，处理温度1800℃～2050℃、压强100MPa～200MPa、时间2-5h，获得致密的碳化硅陶瓷零件。本专利技术制备出的碳化硅陶瓷零件精密度较高，质量稳定，对原材料的利用率高，并且制造速度快，能成型形状特别复杂、特别精细的零件，适合小批量生产。实施例1一种碳化硅陶瓷零件的制备方法，具体包括以下步骤：(1)原料配制制备有机粘接剂聚氨酯丙烯酸酯：以聚氨酯丙烯酸酯(polyurethaneacrylate，PUA)为有机粘接剂，聚氨酯丙烯酸酯的合成是利用异氰酸酯中异氰酸根与长链二醇和丙烯酸羟基酯中的羟基反应，形成氨酯键而制得的。其合成方法具体为：将2mol二异氰酸酯和一定量的月桂酸二丁基锡加入反应器中，升温到40～50℃，慢慢滴加1mol聚乙二醇，反应1h后，升温到60℃，测定—NCO值到计算值，加入2mol丙烯酸羟基酯和一定量的阻聚剂对苯二酚，升温至70～80℃，直至—NCO值为零。鉴于—NCO有较大毒性，反应时可以适当使丙烯酸羟基酯稍微过量，使—NCO基团反应完全，即得。将陶瓷粉末和合成的聚氨酯丙烯酸酯按照体积比为7:3进行混合，得到混合浆料。其中，碳粉和硼粉各占陶瓷粉末总体积的0.5％，粒径均控制在0.2微米，碳化硅粉末占陶瓷粉末的99％，粒度为0.1微米。(2)粗坯制造将上述混合浆料装入3D打印成型设备中，利用可控紫外线光束，采用面曝光的方法根据零件三维模型逐层打印，光斑直径为0.1mm，光源波长为200nm，层厚20μm，每层曝光时间为0.1s，逐层制成碳化硅陶瓷零件粗坯。(3)后处理将所制成的碳化硅陶瓷零件粗坯置入低温烧结炉内，在800℃进行低温脱脂处理2h，使有机粘接剂溢出/挥发。再将脱脂后的碳化硅陶瓷零件粗坯置入热等静压炉内，在1950℃、150MPa下，进行热等静压处理3.5h，获得致密的碳化硅陶瓷零件。实施例2一种碳化硅陶瓷零件的制备方法，具体包括以下步骤：(1)原料配制将陶瓷粉末和环氧丙烯酸树脂按照体积比为1:1进行混合，得到混合浆料。其中，硼粉占陶瓷粉末总体积的0.4％，碳粉占1％，硼粉和碳粉粒径均控制在10微米，碳化硅粉末占陶瓷粉末的98.6％，粒度为100微米。(2)粗坯制造将上述混合浆料装入3D打印光固化成型设备中，利用可控紫外线光束，采用点扫描法根据零件三维模型逐层打印，光源波长为300nm，层厚50μm本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳化硅陶瓷零件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，原料配制；将碳化硅粉末、硼粉和碳粉混合得到陶瓷粉末，再将陶瓷粉末与有机粘接剂混合均匀，得到混合浆料；步骤2，粗坯制造；将混合浆料装入3D打印成型设备中，利用可控紫外线光束，采用面曝光或点扫描的方式，根据零件三维模型逐层打印，制成碳化硅陶瓷零件粗坯；步骤3，后处理；将碳化硅陶瓷零件粗坯进行低温脱脂处理，使粗坯中的有机粘接剂蒸发溢出；再进行热等静压处理，获得致密的碳化硅陶瓷零件。

【技术特征摘要】
1.一种碳化硅陶瓷零件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，原料配制；将碳化硅粉末、硼粉和碳粉混合得到陶瓷粉末，再将陶瓷粉末与有机粘接剂混合均匀，得到混合浆料；所述陶瓷粉末按照体积百分比由0.2～0.5％的硼粉、0.5％～1％的碳粉和余量的碳化硅粉末组成，三者的体积百分比总和为100％；所述陶瓷粉末与所述有机粘接剂的体积比为2:3～7:3；步骤2，粗坯制造；将混合浆料装入3D打印成型设备中，利用可控紫外线光束，采用面曝光或点扫描的方式，根据零件三维模型逐层打印，制成碳化硅陶瓷零件粗坯；所述逐层打印的层厚控制在20～80μm，光源波长为200～400nm，若采用面曝光，每层曝光时间为0.1-3s；若采用点扫描，光斑直径为0.1～0.15mm，光斑移动速度为1-3...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛蕾，王俊伟，赵晓明，杨东辉，
申请(专利权)人：西安铂力特激光成形技术有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61