增材頂刊：約翰霍普金斯團隊打印出晶格狀超高溫碳化物陶瓷

2022年12月2日，南極熊獲悉，來自約翰霍普金斯大學的一組研究人員利用市面上的激光粉末床燒結（SLS）系統(tǒng)和管式燒結爐，成功地制造出了晶格狀超高溫陶瓷（UHTCs）部件。這種材料傳統(tǒng)上很難打印，但由于新的研究，這種情況有望得到改變。

△圖形概要

相關研究內容以題為 "反應式兩步法增材制造超高溫碳化物陶瓷/Reactive Two-Step Additive Manufacturing of Ultra-high Temperature Carbide Ceramics"的論文發(fā)表在《Additive Manufacturing》期刊上。

論文鏈接：sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2214860422007072

超高溫陶瓷 （UHCTs）

UHCTs是耐火陶瓷，因其在超高溫下的高穩(wěn)定性而引人注目（因此得名）。它們是需要抵御極端溫度（>2000°C）的應用的理想候選結構材料，如熱保護產品或用于制造加熱元件的散裝材料。

除了在抵御高溫方面表現出色外，它們還非常適用于組件可能要承受高機械負荷或侵蝕性氧化環(huán)境的情況。

△打印的試樣的熱沖擊測試。(圖片來源：約翰霍普金斯大學)

研究人員一直在開發(fā)一種方法，特別是3D打印一種類型的UHTC，即那些使用碳化鈦（TiC）的UHTC，這是一種極其堅硬的難熔陶瓷材料，類似于碳化鎢。

過去，用3D打印制造TiC結構一直很困難，主要是因為材料中強烈的共價離子和金屬鍵減緩了原子擴散，阻止了燒結。

事實證明，干粉和膠體成型的制造過程是復雜的，因此，需要高的后處理溫度和壓力輔助技術來生產這些材料的致密部件。而且，由于這些工藝是非加成性的，它們缺乏增材制造的優(yōu)點，如生產復雜幾何形狀的能力。

使用商業(yè)上可用的系統(tǒng)，如塑料激光粉末床燒結系統(tǒng)和管式爐，研究小組能夠以亞毫米的分辨率生產UHTC立方體和網格，從而證明確實可以用增材制造技術來實現超高溫材料的成形。

制造過程

第一階段是使用SLS系統(tǒng)（SinteritLisa Pro）來燒結與聚合物粘合劑混合的鈦前體，以生產生坯部件。為了與氬氣兼容，對密封的建造室進行了改造，并安裝了動態(tài)氧氣監(jiān)測裝置，以防止鈦氧化。

接下來，生坯部件在管式爐中的CH4（甲烷）中進行等溫的氣固轉換，以形成TiCx結構。換句話說，聚合物粘合劑的熱解導致產生足夠的碳以促進Ti轉化為TiCx。

為了完成轉化為TiC的反應，需要進一步加工。為此，在CH4中的反應性后處理導致了高達98.2wt%的TiC0.90的產品產量，并減少了固結時的凈收縮率。這種減少是由于與Ti到TiC的轉化有關的體積膨脹。

△晶格狀生坯的脫粉。(圖片來源：約翰霍普金斯大學)

研究人員選擇了兩種不同的打印幾何形狀來評估成品部件的不同質量。他們打印了一個1.5×1.5×1.5cm的立方體（以評估各向異性的體積變化、部件密度和CH4滲透的影響）和一個晶格結構（以評估分辨率和精度）。

這里有一些關于基于TiC基UHCTs的基礎知識：TiC具有極高的熔點（3067℃），并且是所有碳化物中硬度最高的。它還具有任何已知材料中最高的抗壓強度，下面的打印晶格圖像很好地證明了這一點。

△最終打印的晶格部件在一大塊混凝土的擠壓下保存下來。(圖片來源：約翰霍普金斯大學)

表面上看，這項研究是成功的。該團隊表示，隨著進一步的探索和研究，這種3D打印UHTCs的兩步法可以應用于其他碳化物，如ZrC、HfC或TaC，這些碳化物很難，甚至不可能用3D打印技術來制造。