使用耐火基质材料增材制造复杂物体制造技术

提供了一种使用耐火基质材料制造三维物体的方法。所述方法包括由粉末基耐火基质材料增材制造生坯，然后通过化学气相渗透(CVI)致密化。耐火基质材料可以为耐火陶瓷或耐火金属。在一个实施方案中，根据粘合剂‑喷射印刷方法沉积基质材料，以制造具有复杂几何形状的生坯。CVI方法增加了其密度，提供气密密封，并产生具有机械完整性的物体。随着CVI反应器中温度升高，残留的粘合剂内容物在CVI方法开始之前离解，并从生坯除去。CVI方法在成品的所有内表面和外表面上选择性沉积完全致密的涂层。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用耐火基质材料增材制造复杂物体相关申请的交叉引用本申请要求2018年7月31日提交的美国临时申请62/769,588的权益，其公开内容通过引用整体结合到本文中。关于联邦资助的研究和开发的声明本专利技术根据美国能源部授予的合同号DE-AC05-00OR22725在政府支持下产生。美国政府拥有本专利技术的某些权利。
本专利技术涉及使用耐火材料增材制造复杂物体，用于各种能量相关的应用。
技术介绍
当今全世界的大多数能源系统设计成使热转化成电。例如，可由化石燃料、太阳热方法或核裂变或聚变产生热能。热力学第二定律规定，为了从热力发动机提取最大效率，必须要有高工作温度。允许热转化成电的大多数途径，例如兰金循环或布雷顿循环，需要热流体。达到高效率的能力需要高流体温度。这继而需要由能够承受这些高温的材料制成的组件。这些材料可分别在化石或裂变能源系统中形成燃烧容器或反应堆芯，以及管道、热交换器和能量转换组件。因此，能够耐高温的耐火材料在这些应用中是理想的。虽然现今可以由耐火金属或陶瓷制造简单的几何形状(例如，管道)，但不容易制造较高复杂性的组件，例如热交换器、法兰和涡轮机。用耐火金属和陶瓷制造复杂组件的能力将大大改善这些能源系统的热效率，远远超出用常规手段(例如高温镍基超合金)可能提供的。因此，仍持续需要用于由耐火材料制造组件的方法，所述耐火材料包括例如陶瓷和金属，所述组件具有用于能源系统和其它应用的复杂三维几何形状。
技术实现思路
提供了一种用耐火基质材料制造三维物体的方法。所述方法主要包括由粉末基耐火基质材料增材制造生坯，并通过化学气相沉积(例如化学气相渗透(CVI))使生坯致密化。根据特定应用，耐火基质材料可包括耐火陶瓷或耐火金属。CVI处理增加了基质材料的密度，提供了气密涂层，并且可在极高的温度下形成具有极佳机械完整性的物体。在一个实施方案中，所述方法包括提供合适耐火基质材料的粉末原料，例如碳化硅(SiC)、碳化锆(ZrC)、石墨(C)、钼(Mo)或钨(W)。所述方法包括使粘合剂选择性沉积在粉末原料的连续层上，以制造具有接近正形成物体的净形状的尺寸稳定生坯，所述生坯任选包括底切、悬垂或内部容积。生坯在CVI反应容器内加热以脱粘，并且引入前体气体，以使基质材料致密化。所得物体包括具有极佳耐高温性的实质纯的微结构。实例物体包括热交换器、涡轮机、法兰，只举几个例子。在另一个实施方案中，提供了一种制造一体化核燃料元件的方法。所述方法包括使用非燃料基质粉末粘合剂-喷射印刷燃料包壳。所述方法还包括用核燃料颗粒填充包壳，并振动填密(vibro-packing)另外的基质粉末，以在其中产生燃料密实体。所述方法还包括对现在已填充的包壳进行CVI，以在其中密封核燃料。所得核燃料元件可包括在其中一体化形成的冷却通道，以允许冷却流体(例如氦(He)气)流动，并且可由具有良好中子透明性的材料(例如SiC)形成。核燃料颗粒可包括超过现有方法的填充分数(packingfraction)，并且核燃料元件可在远低于烧结现有燃料基质材料所需温度的温度下制造。在另一个实施方案中，一体化核燃料元件可包括可堆叠成棱柱形块的六边形构造，其中基质保持燃料成分，并提供一体化包层结构。堆叠时，每个核燃料元件的冷却通道与竖直相邻的核燃料元件的冷却通道流体连通。致密化且高纯的耐火包壳可在中子辐射的同时承受反应堆芯内的正常工作温度，例如高温气体冷却反应堆(HTFR)反应堆中的800℃和1200℃之间的温度。此外，冷却通道的形状和表面特征可用优化的几何形状制造，以改善其中核燃料的冷却，因为将热能最佳地传递到冷却气体。进一步的实施方案包括核燃料元件内的可燃吸收剂和/或中子减速剂。如本文所述，本专利技术方法容易适应于在需要高耐热性的应用中制造具有复杂几何形状的物体。增材制造生坯通常在室温下进行，并且CVI炉在远低于烧结温度的温度下工作。在其中包含核燃料的实施方案中，发现核燃料颗粒的填充分数大于50%，超过在经压制和烧结核燃料中发现的填充密度，从而产生较小的核燃料组合件。通过参考实施方案和附图的描述，将更充分地了解和理解本专利技术的这些和其它特征。在详细说明本专利技术的实施方案之前，应了解，本专利技术不限于在以下描述中阐明或以下附图中所示的操作细节或构造细节和组件的布置。本专利技术可在各种其它实施方案中实现，并且可以本文未明确公开的替代方式来实践或执行。另外，应了解，本文所用的用语和术语是为了描述的目的，不应视为限制。“包括”和“包含”及其变体的使用意在包括随后列出的项目及其等同物以及另外的项目及其等同物。此外，可在各种实施方案的描述中使用列举。除非另外明确说明，否则列举的使用不应解释为使本专利技术限于组件的任何具体顺序或数量。列举的使用也不应解释为从本专利技术的范围排除可能与所列举步骤或组件组合或合并成所列举步骤或组件的任何另外的步骤或组件。附图说明图1为根据本专利技术的一个实施方案使用耐火材料制造物体的流程图。图2为在CVI加工致密且气密外层后的SiC样品的横截面。图3A和3B为根据本专利技术的一个实施方案制造的实例物体(热交换器和涡轮机叶片)。图4为示出一体化核燃料元件的增材制造的过程图。图5包括根据另外的实施方案的一体化核燃料元件的顶部透视图。图6包括图5的一体化核燃料元件的底部透视图。图7为在制造过程的不同阶段核燃料包壳的图解。图8为耐火材料的电子显微相片和粒度分布。图9为显示在加热期间生坯的代表性重量演变的曲线图。具体实施方式如本文中讨论，当前的实施方案主要涉及一种使用耐火基质材料制造各种物体的方法。所述方法包括由粉末基耐火基质材料增材制造生坯，然后通过CVI致密化。所述制造方法主要在以下第I部分讨论，然后在下文第II部分描述根据这种方法形成的一体化核燃料元件。尽管与核燃料元件相关地描述，但本专利技术方法有效地适用于其中复杂的三维物体需要高耐热性的任何应用，包括例如热交换器、法兰和涡轮机叶片。类似地，就象核燃料可埋入耐火基质内一样，其它组成和装置也可以并入基质中。I.制造方法根据一个实施方案的方法包括使用耐火基质材料制造三维物体。参考图1，所述方法主要包括：(a)选择耐火原料，(b)使用耐火原料增材制造生坯，(c)引入用于CVI的耐火气态前体，(d)生坯的CVI，以致密化和去除粘合剂，及(e)完成具有复杂三维几何形状的最终部件。以下分别讨论每个这样的操作。在步骤10的选择耐火原料包括选择耐火陶瓷粉末原料或耐火金属粉末原料。合适的耐火陶瓷可包括例如SiC、C或ZrC，而合适的耐火金属可包括例如Mo或W。在步骤12，根据增材制造方法形成生坯，以制造三维物体。在当前的实施方案中，根据粘合剂-喷射印刷方法形成生坯。在粘合剂-喷射印刷方法中，耐火材料的粉末床在环境温度下用粘合剂图案逐层印刷，如任选阐述于授予Sachs等人的美国专利5,204,055和授予Cima等人的美国专利5,387,380，其公开内容通过引用整体结合到本文中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制造制品的方法，所述方法包括：/n提供碳化硅的粉末原料；/n使粘合剂选择性沉积在粉末原料的连续层上，以制造大于30%重量碳化硅的尺寸稳定的物体；/n将物体放在化学气相渗透(CVI)反应器内，并升高其中的温度，从而使物体脱粘；并且/n在处于升高的温度下的同时在CVI反应器内引入包含硅和烃的前体气体，使得前体气体在所述升高的温度下的分解引起碳化硅渗入物体，并用致密化的外层密封物体，所述物体包括实质纯的碳化硅微结构和高耐热性，且具有大于85%重量碳化硅的密度。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20181120 US 62/769,5881.一种制造制品的方法，所述方法包括：
提供碳化硅的粉末原料；
使粘合剂选择性沉积在粉末原料的连续层上，以制造大于30%重量碳化硅的尺寸稳定的物体；
将物体放在化学气相渗透(CVI)反应器内，并升高其中的温度，从而使物体脱粘；并且
在处于升高的温度下的同时在CVI反应器内引入包含硅和烃的前体气体，使得前体气体在所述升高的温度下的分解引起碳化硅渗入物体，并用致密化的外层密封物体，所述物体包括实质纯的碳化硅微结构和高耐热性，且具有大于85%重量碳化硅的密度。


2.根据权利要求1所述的方法，其中所述前体气体包括甲基三氯硅烷(MTS)。


3.根据权利要求1所述的方法，其中使粘合剂在环境温度下沉积到粉末原料的连续层上。


4.根据权利要求1所述的方法，其中升高CVI反应器内的温度包括将CVI反应器加热到850℃和1300℃之间。


5.根据权利要求1所述的方法，其中所述物体为具有底切、悬垂或内部容积的三维物体。


6.根据权利要求1所述的方法，其中所述物体形成核燃料元件、热交换器或涡轮机叶片的一部分。


7.根据权利要求1所述的方法，其中所述物体包括内部容积，所述方法还包括在CVI反应器内放置所述物体之前用核燃料颗粒填充所述内部容积。


8.根据权利要求7所述的方法，所述方法还包括将碳化硅粉末原料引入相邻核燃料颗粒之间的所述物体的内部容积内。


9.根据权利要求7所述的方法，其中使粘合剂选择性沉积在粉末原料的连续层上包括在物体内限定冷却通道，所述冷却通道从其下表面延伸到其上表面。


10.根据权利要求7所述的方法，所述方法还包括在内部容积内放置可燃吸收剂或中子减速剂。


11.一体化核燃料元件，所述核燃料元件包含：
具有实质纯碳化硅微结构的燃料包壳，所述燃料包壳包括具有至少20微米厚度的碳化硅致密化外层，所述燃料包壳限定内部容积和至少一个从其下部延伸到其上部的冷却通道；和
在燃料包壳的内部容积内包含...

【专利技术属性】
技术研发人员：K·A·泰拉尼，M·P·特拉梅尔，B·C·乔利，
申请(专利权)人：UT巴特勒有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US