增材顶刊：约翰霍普金斯团队打印出晶格状超高温碳化物陶瓷

2022年12月2日，南极熊获悉，来自约翰霍普金斯大学的一组研究人员利用市面上的激光粉末床烧结（SLS）系统和管式烧结炉，成功地制造出了晶格状超高温陶瓷（UHTCs）部件。这种材料传统上很难打印，但由于新的研究，这种情况有望得到改变。

△图形概要

相关研究内容以题为 "反应式两步法增材制造超高温碳化物陶瓷/Reactive Two-Step Additive Manufacturing of Ultra-high Temperature Carbide Ceramics"的论文发表在《Additive Manufacturing》期刊上。

论文链接：sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2214860422007072

超高温陶瓷 （UHCTs）

UHCTs是耐火陶瓷，因其在超高温下的高稳定性而引人注目（因此得名）。它们是需要抵御极端温度（>2000°C）的应用的理想候选结构材料，如热保护产品或用于制造加热元件的散装材料。

除了在抵御高温方面表现出色外，它们还非常适用于组件可能要承受高机械负荷或侵蚀性氧化环境的情况。

△打印的试样的热冲击测试。(图片来源：约翰霍普金斯大学)

研究人员一直在开发一种方法，特别是3D打印一种类型的UHTC，即那些使用碳化钛（TiC）的UHTC，这是一种极其坚硬的难熔陶瓷材料，类似于碳化钨。

过去，用3D打印制造TiC结构一直很困难，主要是因为材料中强烈的共价离子和金属键减缓了原子扩散，阻止了烧结。

事实证明，干粉和胶体成型的制造过程是复杂的，因此，需要高的后处理温度和压力辅助技术来生产这些材料的致密部件。而且，由于这些工艺是非加成性的，它们缺乏增材制造的优点，如生产复杂几何形状的能力。

使用商业上可用的系统，如塑料激光粉末床烧结系统和管式炉，研究小组能够以亚毫米的分辨率生产UHTC立方体和网格，从而证明确实可以用增材制造技术来实现超高温材料的成形。

制造过程

第一阶段是使用SLS系统（SinteritLisa Pro）来烧结与聚合物粘合剂混合的钛前体，以生产生坯部件。为了与氩气兼容，对密封的建造室进行了改造，并安装了动态氧气监测装置，以防止钛氧化。

接下来，生坯部件在管式炉中的CH4（甲烷）中进行等温的气固转换，以形成TiCx结构。换句话说，聚合物粘合剂的热解导致产生足够的碳以促进Ti转化为TiCx。

为了完成转化为TiC的反应，需要进一步加工。为此，在CH4中的反应性后处理导致了高达98.2wt%的TiC0.90的产品产量，并减少了固结时的净收缩率。这种减少是由于与Ti到TiC的转化有关的体积膨胀。

△晶格状生坯的脱粉。(图片来源：约翰霍普金斯大学)

研究人员选择了两种不同的打印几何形状来评估成品部件的不同质量。他们打印了一个1.5×1.5×1.5cm的立方体（以评估各向异性的体积变化、部件密度和CH4渗透的影响）和一个晶格结构（以评估分辨率和精度）。

这里有一些关于基于TiC基UHCTs的基础知识：TiC具有极高的熔点（3067℃），并且是所有碳化物中硬度最高的。它还具有任何已知材料中最高的抗压强度，下面的打印晶格图像很好地证明了这一点。

△最终打印的晶格部件在一大块混凝土的挤压下保存下来。(图片来源：约翰霍普金斯大学)

表面上看，这项研究是成功的。该团队表示，随着进一步的探索和研究，这种3D打印UHTCs的两步法可以应用于其他碳化物，如ZrC、HfC或TaC，这些碳化物很难，甚至不可能用3D打印技术来制造。