SiC零件的激光选区烧结及反应烧结后处理工艺关键技术研究

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碳化硅陶瓷具有高强度、高硬度、低密度、良好的化学稳定性和优良的高温性能,在航空航天、石油化工、核能等领域应用广泛。但碳化硅陶瓷熔点高、脆性大的特点给其零件的成形、加工带来了很多困难,尤其对于复杂形状的零件,传统方法很难甚至无法成形。本文着重研究碳化硅陶瓷的激光选区烧结/反应烧结复合成形及其后处理工艺,主要研究内容如下:阐述了碳化硅陶瓷SLS成形机理,由于碳化硅的熔点高达3000℃,需通过低熔点粘接剂SLS成形。选用高分子材料作为粘接剂,其对CO2激光器的吸收率可达96%,远远高于YAG激光器,CO2激光器更适于高分子-碳化硅粉末的SLS成形。对不同的高分子材料进行分析对比,选择出适合SLS成形的粘接剂材料:酚醛树脂2123。对制备方法的优缺点进行了对比,采用机械混合法制备了酚醛树脂-SiC混合粉末。研究了工艺参数对SLS成形质量的影响,对粘接剂含量、SLS工艺进行了优化。碳化硅粉末成形的粘接剂酚醛树脂2123含量至少为16 wt.%,当酚醛树脂2123含量为30 wt.%的碳化硅粉末SLS成形的坯体强度较高。对添加固化剂乌洛托品(六亚甲基四胺)和粘接剂酚醛树脂的碳化硅粉末SLS工艺参数进行了优化,当激光能量密度为0.04 J/mm2,在激光功率、扫描速度、扫描间距、单层厚度分别为8W、2000 mm/s、0.1 mm、0.15 mm时,碳化硅SLS坯体的相对密度达到31.9%。探究了提高成形件质量的方法,通过提高预热温度、控制冷却速度、较少的粘接剂含量、较小的激光能量密度可以减少翘曲的发生。根据粘接剂TG曲线制定了相应的中温碳化曲线,可以有效地保证碳化过程稳定进行,并保持试样的形状完整,避免试样的开裂。在1500℃的高温渗硅之后,对渗硅后碳化硅陶瓷试样进行了物相分析、断口形貌分析、性能分析以及收缩率分析,试样最终的相对密度达到86.66%,弯曲强度达到81.0 MPa。本文通过对碳化硅陶瓷的激光选区烧结/反应烧结复合成形及其后处理工艺的研究表明,采用SLS/RBCS复合工艺制造复杂形状的碳化硅零件是可行的,为碳化硅陶瓷零件近净成形提供了一种新的方法,有利于SLS技术的推广和工程化应用。
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