可打印米级构件 | 华科史玉升教授团队在SiC粉末床3D打印成套技术方面取得进展-金属3D打印工厂

可打印米级构件 | 华科史玉升教授团队在SiC粉末床3D打印成套技术方面取得进展-金属3D打印工厂插图

✅大唐盛世-3D打印一站式服务平台,专注于金属3D打印的设计、加工、定制生产及应用,为新老用户提供钛合金3D打印、不锈钢3D打印、铝合金3D打印、模具钢3D打印等近百种金属3D打印加工服务及综合解决方案。大唐盛世多年金属3D打印经验,打印精密度高(误差小于0.05mm),售后保证,不满意可重做。

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碳化硅陶瓷具有优异的耐磨性、耐腐蚀、耐高温、抗氧化以及低热膨胀系数等性能,是航空航天、电子信息等领域中的关键材料,特别是大型复杂碳化硅陶瓷构件,如高分辨率空间遥感卫星反射镜镜坯、大规模集成电路光刻机用激光反射镜、高防护系数飞行器陶瓷装甲、高超声速飞行器热端部件及热防护系统等的整体成形技术,对航空航天等国家安全和前沿技术发展有着重要的战略意义。然而,由于碳化硅陶瓷材料具有高温烧结变形大、缺陷敏感性强等特点,烧结后难以加工,因此大型复杂碳化硅陶瓷构件的整体成形成为世界性难题

为此,华中科技大学材料学院史玉升教授团队提出复杂碳化硅陶瓷构件的激光粉末床熔融、粘结剂喷射/光固化复合3D打印成套技术,在湖北武汉建立研究和产业化基地,在湖北黄石设立中试基地,从碳化硅陶瓷粉末床3D打印的材料、装备、工艺、产业化和应用等环节进行了深入系统地研究,主要技术指标国际领先,解决了高性能大型复杂碳化硅陶瓷复合材料构件的整体成形难题。基于此,2019年教育部批准成立“增材制造陶瓷材料教育部工程研究中心”,相关研究成果获第二十三届中国专利优秀奖、第一届湖北专利金奖、2021年日内瓦国际发明展金奖等,具体进展如下:

在材料方面:发明了高增材适应性粉体制备方法(图1),实现了粘结剂均匀包覆粒料、纤维粉体的制备【中国发明专利ZL 200710051863.1,中国发明专利ZL 200810048011.1,中国发明专利ZL 202111044831.5】;提出了高效机械混合碳化硅颗粒、碳纤维、粘结剂复合粉体的制备方法,有效改善粉末床成形预制体的力学性能【J. Eur. Ceram. Soc. 40(2020): 5186-5195】;建立复合材料堆积体对激光能量吸收的物理模型,为激光粉末床熔融3D打印复合材料粉末设计及成形预制体质量调控提供理论支持。

 

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图1 粘结剂包覆粉体制备方法:(a)蒸馏冷却均匀降温控制方法;(b)溶剂沉淀制备方法;(c)酚醛树脂包覆碳纤维复合粉体;(d)酚醛树脂包覆木纤维复合粉体

在装备方面:研制出大台面复杂陶瓷构件粉末床3D打印方法与装备(图2),目前本团队商业化的陶瓷激光粉末床熔融3D打印装备最大成形尺寸达1700 mm×1700 mm×600 mm。该装备具有多激光、多振镜的扫描系统,配备海量数据处理软件,解决了多激光振镜协同工作、海量数据处理、形坯原位成形、清粉、后固化处理等难题,实现大型复杂陶瓷构件一体化成形【中国发明专利ZL201910447966.2,美国发明专利US11305456,欧洲发明专利EP3744506,日本发明专利JP6896817,俄罗斯发明专利RU2745247C1】。在激光粉末床熔融3D打印装备的基础上,研制出一种高强度大型复杂陶瓷素坯及其粘结剂喷射/光固化复合成形方法与装备(图3),解决3D打印陶瓷素坯强度低、效率低、成形尺寸小等问题,实现高强度大型复杂陶瓷素坯的高效3D打印成形【中国发明专利CN202210982246.8】。

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图2 大型复杂陶瓷构件激光粉末床熔融3D打印装备原理图 :11-激光器,12-振镜,13-保温层,14-加热装置,15-铺粉刮板,16-铺粉缸,17-成形缸,18-成形缸缸壁,19-成形形坯,110-成形台面,111-成形缸缸壁升降装置,112-SLS设备升降装置,113-导轨轮,6-导轨,115-地面

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图3 大型复杂陶瓷粘结剂喷射/光固化复合成形装备原理图:10-壳体,11-紫外光激光器,12-紫外光振镜/反射镜,13红外光反射镜,14-红外光激光器,15-保温层,16-粉床预热单元,17-铺粉辊,18-送粉缸,19-集成喷嘴,20-隔离单元,110-成形缸,112-成形缸升降机构

在成形工艺方面:发明碳纤维/碳化硅复合材料构件的激光粉末床熔融整体3D打印方法(图4)【中国发明专利ZL201710238622.1,美国发明专利US 11021402,欧洲发明专利RU 2728429,日本发明专利JP 6859441】,建立工艺参数、预制体微观结构和复合材料构件性能之间的耦合关系,揭示预制体在反应烧结后的结构演变规律和相界面成形机制【J. Alloys Compd. 792 (2019) 1045-1053】,阐明碳纤维对碳化硅复合材料的强韧化机理【J. Eur. Ceram. Soc. 38 (2018) 4604-4613】;建立碳前驱体悬浮液浸渍预制体强化方法,研究酚醛树及添加纳米炭黑对碳化硅性能的影响规律,从动力学角度阐明了预制体浸渗碳源的物化特性与最终碳化硅陶瓷复合材料微观组织的关系【Ceram. Int. 46 (2020) 12102–12110.; Ceram. Int. (2022)】。整体成形出碳化硅陶瓷复合材料构件(图5),相对密度>99%,抗弯强度>250 MPa。

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图4 碳纤维/碳化硅复合材料构件的激光粉末床熔融整体3D打印方法

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图5 粉末床熔融整体成形碳化硅复合材料构件(a)米级航天反射镜镜坯;(b)光刻机方镜

在产业化方面:史玉升教授团队技术孵化的武汉华科三维科技有限公司,是华中地区资历雄厚的专业3D打印装备、工艺及材料的产业化平台,注册资本6000万元人民币,除了从事高分子和金属3D打印装备与工艺外,还开展陶瓷3D打印装备及工艺的研发,形成了工作台面250mm×250mm、1000mm×1000mm(图6)、1700mm×1700mm等系列碳化硅陶瓷3D打印成套装备,并实现商品化。成套装备及其工艺成功应用于中国航发北京航空材料研究院、哈尔滨东安动力、宁波伏尔肯、成都光电技术研究所、清华大学、西北工业大学等科研院所和公司等,用于复杂陶瓷构件的整体成形。

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图6 武汉华科三维科技有限公司生产的激光粉末床熔融装备-HK C1000,(a)1 m装备整体图;(b)激光振镜扫描系统;(c)双向铺粉系统

在飞行器热端构件应用方面:采用3D打印制备了耐高温烧蚀和抗热冲击的SiC复合材料,通过在材料内引入一维陶瓷纤维,结合特殊孔道设计,实现结构减重的同时保持良好的耐烧蚀性能(1650℃×1h空气气氛条件下质量损失率≤0.05g/m2∙s)和抗热冲击性性能:其室温1300℃升温和1300℃10℃骤冷循环次数相较常规3D打印SiC材料提升超过300%,基于该工艺制备的小型3D打印SiC复合材料构件已通过初步考核试验(图7)。

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图7 3D打印SiC构件抗热冲击性能测试和构件结构示意图:(a)抗热冲击测试(升温);(b)抗热冲击测试(降温);(c)高温多孔SiC构件;(d)热冲击测试温度曲线;(e)不同3D打印SiC样件1300℃~室温急冷急热循环后的宏观形貌

在碳化硅吸波器件应用方面:采用激光粉末床熔融结合碳热还原制备了一种新型的木材生物质废料衍生的多孔碳化硅纳米线/碳化硅复合材料吸波器(图8),用于结构-功能一体化电磁波吸收。建立了碳热还原温度对3D打印生物质碳材料反应生成多孔碳化硅的影响机制,阐明多孔碳化硅复合材料异质界面、孔结构与电磁波吸收之间的内在联系。最终得到的多孔碳化硅复合材料构件的最小反射损耗为-49.01 dB,有效吸收带宽为5.1 GHz,在空气中的热失重率仅为0.6%,在恶劣环境下具有广泛的应用前景。【Virtual Phys. Prototy. 17 (2022) 718-733】

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图8 激光粉末床熔融制造的多孔碳化硅复合材料吸波器:(a)吸波机理和(b)吸波效能;(c~e)生物质复杂构件坯体;(f)多孔碳化硅复合材料蜂窝结构吸波器

在碳化硅极小曲面点阵结构应用方面:通过激光粉末床熔融技术结合液相渗硅反应烧结工艺成形出碳化硅极小曲面点阵结构,对碳化硅点阵结构的制造、力学性能等进行了系统研究(图9)。该碳化硅点阵结构具有较高的制造精度和较低的收缩率(小于6%),建立的有限元模拟模型可以准确地验证和预测碳化硅极小曲面点阵结构的力学和断裂行为(大多数偏差小于20%)。此外,采用理论模型与有限元模拟结合的方式阐明了体积分数对碳化硅极小曲面点阵结构压缩断裂带的影响机制,为优化碳化硅极小曲面点阵结构的设计和3D打印提供了重要理论指导。【Addit. Manuf. 56 (2022) 102910】

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图9 激光粉末床熔融制造的碳化硅极小曲面点阵结构、力学性能实验分析及相关有限元模拟验证

在碳化硅模具应用方面:由于碳化硅具有高强度、高硬度、高导热等特性,是最佳的模具材料,但存在难加工等问题。为此,通过材料和工艺联合研究,充分利用碳化硅材料的优势,哈尔滨某光电科技有限公司用武汉华科三维生产的3D打印打印装备成形出满足玻璃镜片要求的碳化硅模具。

相关的论文、专著和发明专利和获奖情况如下:

1) Wei Zhu, Hua Fu, Zhongfeng Xu, Rongzhen Liu, Ping Jiang, Xinyu Shao, Yusheng Shi, Chunze Yan*. Fabrication and characterization of carbon fiber reinforced SiC ceramic matrix composites based on 3D printing technology. Journal of the European Ceramic Society, 2018, 38: 4604–4613.

2) Hua Fu, Wei Zhu, Zhongfeng Xu, Peng Chen, Chunze Yan*, Kun Zhou, Yusheng Shi. Effects of silicon addition on microstructure, mechanical and thermal properties of Cf/SiC composites prepared via selective laser sintering. Journal of Alloys and Compounds, 2019, 792: 1045-1053.

3) Yang Zou, Chenhui Li*, Yihao Tang, Liang Hu, Jiangan Liu, Jiamin Wu, Yusheng Shi. Preform impregnation to optimize the properties and microstructure of RB-SiC prepared with laser sintering and reactive melt infiltration. Journal of the European Ceramic Society, 2020, 40(15): 5186-5195.

4) Yang Zou, ChenHui Li*, Liang Hu, JiangAn Liu, JiaMin Wu, YuSheng Shi. Effects of short carbon fiber on the macro-properties, mechanical performance and microstructure of SiSiC composite fabricated by Selective Laser Sintering, Ceramics International,2020, 46(8): 12102–12110.

5) Liang Hu, Yang Zou, ChenHui Li*, JiangAn Liu, YuSheng Shi. Preparation of SiC nanowires on Graphite Paper with Silicon Powder. Materials Letters,2020, 269: 127444.

6) Changshun Wang, Siqi Wu, Zhaoqing Li, Shuang Chen, Annan Chen, Chunze Yan*, Yusheng Shi, Haibo Zhang, Pengyuan Fan. 3D printed porous biomass–derived SiCnw/SiC composite for structure–function integrated electromagnetic absorption. Virtual and Physical Prototyping, 2022,17 (3): 718-733.

7) Siqi Wu, Lei Yang, Changshun Wang, Chunze Yan*, Yusheng Shi. Si/SiC ceramic lattices with a triply periodic minimal surface structure prepared by laser powder bed fusion. Additive Manufacturing, 2022, 56: 102910.

8) 王长顺, 吴思琪, 闫春泽*, 史玉升*, 邬国平, 韩潇. SiC陶瓷增材制造技术的研究及应用进展. 科学通报, 2022, 67(11): 1137-1154.

9) Weijian Wu, Yang Zou, Chenhui Li*, Yawei Li, Zhouyu Wang, Nan Chang, Yusheng Shi. Effect of impregnated phenolic resin on the properties of Si–SiC ceramic matrix composites fabricated by SLS-RMI. Ceramics International. 2022.

相关专著如下:

1) Shi Yusheng; Chunze Yan;Yan Zhou;Jiamin Wu;Yan Wang;Shengfu Yu;Ying Chen . Materials for Additive Manufacturing,Elsevier, 2021.

2) 史玉升;闫春泽;周燕;吴甲民;汪艳;余圣甫. 3D打印材料,华中科技大学出版社,2019. 61

3) 史玉升;刘锦辉;闫春泽;李瑞迪;杨劲松.粉末材料选择性激光快速成形技术与应用,科学出版社,2012. 65

4) Chunze Yan; Shi Yusheng; Li Zhaoqing; Wen Shifeng; Wei Qingsong. Selective Laser Sintering Additive Manufacturing Technology, Elsevier, 2020.

5) 闫春泽;史玉升;魏青松;文世峰;李昭青. 激光选区烧结3D打印技术, 华中科技大学出版社, 2020.

相关发明专利如下:

1) 史玉升, 闫春泽, 杨劲松, 黄树槐, 徐林. 一种尼龙覆膜陶瓷粉末材料的制备方法. 200710051863.1.

2) 史玉升, 闫春泽, 杨劲松. 用于选择性激光烧结的共聚物基粉末材料及其制备方法. 200810048011.1.3)

3) 闫春泽, 朱伟, 傅华, 徐中凤, 史玉升. 一种C/C‑SiC复合材料构件的制备方法及其产品,201710238622.1

4) 闫春泽, 朱伟, 傅华, 徐中凤, 史玉升. Способ изготовления изделий из композитного C/C-SIC материала и продуктов на их основе,俄罗斯发明专利,RU 2728429

5) 闫春泽, 李昭青, 刘主峰, 陈鹏, 史玉升. 一种SiC纤维增强SiC陶瓷基构件的制备方法及产品. 201910684768.8

6) 闫春泽, 李昭青, 刘主峰, 陈鹏, 史玉升. 基于増材制造的连续纤维增强SiC构件制备方法及产品. 201910684009.1

7) 闫春泽, 朱伟, 傅华, 徐中凤, 史玉升. Method of preparation carbon fiber reinforced carbon-silicon carbide composite part. 美国发明专利:US 11021402

8) 闫春泽, 朱伟, 傅华, 徐中凤, 史玉升. C/C-SiC複合材料部品の製造方法及びその製品. 日本发明专利:JP 6859441

9) 闫春泽, 王长顺, 吴思琪, 李昭青, 陈安南, 史玉升. 3D打印制备木材生物质多孔碳化硅的方法及多孔碳化硅. 202111044831.5.

相关的获奖如下:

1) 一种C/C‑SiC复合材料零件的制备方法及其产品(ZL 201710238622.1),第二十三届中国专利优秀奖。

2) 一种C/C‑SiC复合材料零件的制备方法及其产品(ZL 201710238622.1),第一届湖北专利金奖。

3) Integrated Manufacturing Method for Large-scale and Complex SiC Ceramic Matrix Composite Components. 2021 Geneva inventions Salon International Des Inventions Gold Medal.

4) 碳化硅复合粉末材料的制备及其大型复杂零件的增材制造方法. 2019年华中科技大学重大学术进展。

5) 大型复杂陶瓷零件的增材制造技术. 2018年材料成形与模具技术国家重点实验室2018年度重大进展奖。

成果主要完成人

史玉升,华中科技大学教授,曾获国家科技进步二等奖2项、国家技术发明二等奖1项、中国十大科技进展1项、中国智能制造十大科技进展1项、省部一等奖8项,省部二等奖6项,领导的团队入选湖北省和教育部创新团队。

闫春泽,华中科技大学教授,长江学者特聘教授、材料成形与模具技术国家重点实验室副主任、增材制造陶瓷材料教育部工程研究中心主任,在Advanced MaterialsActa MaterialiaAdvanced Science等期刊发表论文130余篇,他引8000余次,研究成果获国家科技进步二等奖、国家技术发明二等奖、中国专利优秀奖、日内瓦专利金奖、湖北省专利金奖各1项。

李晨辉,华中科技大学教授,博士生导师,增材制造陶瓷材料教育部工程研究中心副主任。主要从事陶瓷材料增材制造方面的研究工作,先后主持与参加国家科技重大专项3项,国家自然科学基金面上项目4项,国家863计划项目1项,国防科研项目5项,教育部创新团队2项和其它横向课题多项。发表SCI/EI论文50余篇,参与制定国家标准1项,获日内瓦专利金奖和中国发明专利优秀奖各1项。

文世峰,华中科技大学副教授,武汉华科三维科技有限公司技术总监。在激光粉末床熔融增材制造装备国产化、大型化等方面做出了开创性研究,成功开发出动态聚焦方式大工作范围激光扫描系统和激光粉末床熔融装备预热温控系统。在Advanced ScienceJournal of Materials Processing Technology等期刊上发表论文40余篇,研究成果获国家技术发明二等奖、机械工业科学技术一等奖。

刘洁,华中科技大学副教授。主要从事快速成形/快速制模、光机电一体化、CAD/CAE/CAM相关内容的理论与应用研究。主持国家自然科学基金项目、国家“增材制造与激光制造”重点研发计划课题、国家02重大专项子课题、湖北省科技计划自然科学基金项目等项目,发表论文20余篇,获10余项发明专利授权,完成一项科技成果鉴定。曾获湖北省技术发明一等奖、湖北省科技进步一等奖、湖北省科学技术发明二等奖等多项奖励。

吴甲民,华中科技大学副教授,博士生导师,现任增材制造陶瓷材料教育部工程研究中心副主任。担任SCI期刊Journal of Advanced Ceramics编委。主要从事陶瓷增材制造及其应用方面的研究工作,主持国家重点研发计划项目课题等项目20余项,发表100余篇学术论文,获授权发明专利27项。获第十四届中国硅酸盐学会青年科技奖提名奖、第48届日内瓦国际发明展金奖、Journal of Advanced Ceramics优秀论文奖等多项奖励。

注:感谢史玉升教授团队对本文的大力支持。
✅大唐盛世是一站式金属3D打印服务平台,长年专注于金属3D打印的设计、定制加工、小批量生产及后工序处理,拥有多年精密零件金属3D打印成型经验,旗下的大型金属3D打印生产基地位于东莞大朗镇光辉高新产业园,上万平米的打印生产制造车间,50多台高精度金属3D打印设备,CNC加工中心、4轴加工中心、5轴加工中心、三轴加工中心、铣床、数控车床、三坐标、精雕机、电火花机、钻攻机等配套设备上百台,擅长小公差、复杂结构原型、高精密度的金属零件小批量生产。为新老用户提供钛合金3D打印、铝合金3D打印、不锈钢3D打印、模具钢3D打印等近百种金属3D打印加工服务及综合解决方案。通过我们3D打印加工的产品被广泛应用于机械、医疗、通讯、电子、电器、汽车、航空航天等各行各业。公司自成立以来始终坚持:为客户提供满意的产品和服务的基本质量方针,严格执行ISO9001质量管理体系,加强6S质量体系的内部实施,并且通过全体员工的共同努力,让每一位客户对我们的服务及产品质量都表示满意。金属3D打印定制就到大唐盛世!

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