核用氧化锆耐火材料光固化增材制造工艺及性能研究

作者：张勤 1,2，赵朗朗 1,2，刘征 3 ，杨廷贵 1
（1.中核四 0 四有限公司 科学技术研究院，兰州 732850；2.中核四 0 四成都核技术工程设计研究 院有限公司，成都 610000；3.南昌航空大学 航空制造工程学院，南昌 330063）

目的 为提高精密铸造效率，缩短制模周期，利用光固化增材制造技术制备适合活泼金属铸造用的 ZrO2 陶瓷模具。方法 将光敏树脂与纳米级 ZrO2陶瓷粉体混合得到具有光固化性能的陶瓷浆料，采用数字光投影增材制造设备对陶瓷浆料进行逐层曝光，揭示不同固含量对陶瓷浆料固化性能的影响规律；利用光固化 3D 打印制备 ZrO2陶瓷生坯，经过干燥、脱脂和烧结处理，获得所需陶瓷样件，并对成型后的 ZrO2陶瓷进行微观组织表征、力学性能（压缩和弯曲）和抗热震性能测试。结果 在相同固化强度的基础上，随着 ZrO2陶瓷浆料固含量的增加，固化深度逐渐减小，固化宽度无明显变化。光强度越高，固化深度和宽度均越大。选用固含量（体积分数）为 50%的陶瓷浆料，在紫外光波长 405 nm、光强度 25 mW/cm2 、曝光时间 2 000 ms、层厚 30 μm 的工艺条件下制备 ZrO2陶瓷生坯，经过最高温度 450 ℃脱脂和最高温度 1 525 ℃烧结处理，获得了无变形和开裂的 ZrO2陶瓷样件。陶瓷的压缩和弯曲强度分别达到 2 943、833 MPa，与等静压工艺制备的陶瓷强度相当，优于其他 3D 打印工艺制备的陶瓷产品。光固化 3D 打印 ZrO2陶瓷在 800 ℃下热震 10 次 和 1 400 ℃下热震 5 次后才开始出现局部细小裂纹，满足核冶金铸造使用要求。结论 利用光固化 3D 打印技术可制备致密度大、强度高、抗热震性能良好的陶瓷模具，是一种工艺简单、效率高的新型陶瓷加工工艺，在核工业领域具有重要的应用前景。

图1  ZrO2 陶瓷粉体粒径分布曲线

图2  ZrO2 陶瓷粉体的 SEM 形貌

图3  ZrO2 陶瓷粉体的 X 射线衍射图谱

图4  不同固含量和光强度下 ZrO2 陶瓷浆料的固化特性

图5  光固化 3D 打印 ZrO2 陶瓷生坯的 TG−DSC 曲线

图6  光固化 3D 打印 ZrO2 陶瓷生坯的 SEM 形貌

图7  光固化 3D 打印 ZrO2 陶瓷烧结后的微观组织形貌和能谱分析

图8  光固化 3D 打印 ZrO2 陶瓷烧结后的 X 射线衍射图谱

图9 光固化 3D 打印 ZrO2 陶瓷脱脂前和烧结后圆柱体试样

图10 光固化 3D 打印 ZrO2 陶瓷的维氏硬度

图11 光固化 3D 打印 ZrO2 陶瓷的压缩性能

图12 光固化 3D 打印 ZrO2 陶瓷的压缩断口形貌

图13 光固化 3D 打印 ZrO2 陶瓷的弯曲强度

图14 光固化 3D 打印 ZrO2 陶瓷抗热震性能测试的宏观形貌

图15 光固化 3D 打印 ZrO2 陶瓷抗热震性能测试的表面形貌

总结：

基于光固化（DLP）3D 打印技术研究了不同固含量对陶瓷浆料固化性能的影响规律，分析了光固化 3D 打印 ZrO2 陶瓷的微观组织、力学性能（压缩和弯 曲）和抗热震性能，得到以下主要结论。

1）随着 ZrO2 陶瓷浆料固含量的增大，固化深度减小，固化宽度无明显变化。光强度越高，固化深度和宽度均越大。选用固含量为 50%的 ZrO2 陶瓷浆料，在光强度 25 mW/cm2 、曝光时间 2 000 ms、层厚 30 μm 的条件下打印工艺制备 ZrO2 陶瓷坯体，经过最高温 度 450 ℃脱脂和最高温度 1 525 ℃烧结处理，获得了无变形和开裂的 ZrO2 陶瓷产品。

2）光固化 3D 打印 ZrO2 陶瓷产品的压缩强度和弯曲强度可分别达到 2 943、833 MPa，2 种强度均与等静压工艺制备的陶瓷相当，弯曲强度优于其他 3D 打印工艺制备的陶瓷产品。光固化 3D 打印 ZrO2 陶瓷在 800 ℃下热震 10 次和 1 400 ℃下热震 5 次后才开始出现局部细小裂纹，满足核冶金铸造使用要求。

3）利用光固化 3D 打印技术可制备高性能的陶瓷产品，是一种工艺简单、效率高的新型陶瓷加工工艺，对提高精密铸造效率、缩短制模周期具有重要意义，在核工业领域具有广阔的应用前景。