一种曲面梯度陶瓷零件及其制造方法与流程

本发明属于增材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种曲面梯度陶瓷零件及其制造方法。

背景技术：

曲面梯度陶瓷是一种新型的结构陶瓷，其将曲面结构和材料梯度结合在一起，使得陶瓷具有更加优越的力学、生物、透波等综合性能，以陶瓷导弹天线罩为例，其作用是保护导弹天线和雷达的正常工作，这要求它不仅具有良好的气动外形和透波性能，还要有一定的强度和刚度，以承受气动载荷的作用。导弹天线罩的制造难题主要是难以将良好的透波性能、机械强度、耐腐蚀、耐高温等优良性能结合在一起。曲面梯度陶瓷能够很好的解决这个问题，可以利用不同的叠层来使天线罩具有多种优良性能，但曲面与梯度结合陶瓷的成形是目前尚未解决的问题，因此，需要采用新型的陶瓷增材制造方法来制造这种曲面梯度陶瓷。

增材制造(additivemanufacturing,am)是一种使用计算机辅助设计逐层累加的制造方法，区别于传统的“等材制造”与“减材制造”，在制造复杂的与精密零件方面具有很大的优势。陶瓷立体光固化(stereolithography,sl)是目前主流的陶瓷增材制造技术之一，与其他方法相比，陶瓷立体光固化技术可以制造出更为致密、精细的陶瓷零件。将陶瓷高强度、耐高温、耐腐蚀、良好的透波性能等与陶瓷立体光固化技术的特点结合起来，能够很大程度地提升高性能陶瓷在各个领域的推广及应用。陶瓷立体光固化通常使用陶瓷膏体和浆料两种原料，陶瓷膏体与浆料相比，在紫外光照射固化前已经具有一定的强度，可以在完成造型而未固化之前保持特定的形状。曲面梯度陶瓷的应用非常广泛，但是如何实现这种陶瓷的制造具有很大的挑战，现在的平面切片增材制造技术很难实现。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种曲面梯度陶瓷零件及其制造方法，其以不同组分的陶瓷膏体为原料，采用光固化将第一种组分的陶瓷膏体沿待制备曲面梯度陶瓷的模型的曲面铺覆并完成固化，随后铺覆第二种组分陶瓷膏体并固化，如此重复，直至铺覆及固化完所有组分的陶瓷膏体，以得到曲面梯度陶瓷零件素坯，继而对素坯进行排胶及烧结以得到曲面梯度陶瓷零件，由此陶瓷本身具有一定的强度，曲面铺覆陶瓷膏体，且采用紫外光照射逐层固化可以很好的解决曲面梯度陶瓷零件难以制造的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种曲面梯度陶瓷零件的制造方法，所述制造方法包括以下步骤：

(1)沿着待制造曲面梯度陶瓷零件的模型曲面进行切片，以实现模型沿曲面的分层；

(2)以多种不同组分的陶瓷膏体为原料，结合分层结果先将第一种组分的陶瓷膏体沿模型曲面铺覆并采用紫外光照射固化，随后沿着模型曲面铺覆第二种组分的陶瓷膏体并采用紫外光照射固化，如此重复进行直到所有组分的陶瓷膏体铺覆及固化完成，由此得到待制造曲面梯度陶瓷零件的素坯，进而得到曲面梯度陶瓷零件。

进一步地，步骤(1)之前还包括以下步骤：将光引发剂及分散剂溶解在光敏树脂中以获得光敏预混液，再将一种或者多种陶瓷粉体加入所述光敏预混液中进行球磨混合并除气，以获得多种不同组分的陶瓷膏体。

进一步地，所述光敏树脂为丙烯酸树脂和/或环氧树脂；所述光引发剂为自由基光引发剂和/或阳离子光引发剂；所述分散剂为聚丙烯酸铵、柠檬酸铵、聚丙烯酸钠、四甲基氢氧化铵、油酸、硬脂酸、聚乙二醇中的一种或多种。

进一步地，所述光引发剂的质量为所述光敏树脂质量的1wt％～3wt％；所述分散剂的质量为所述陶瓷粉体质量的1wt％～4wt％；所述陶瓷膏体包括以下体积百分比的组分：陶瓷粉体30vol％～70vol％、光敏预混液30vol％～70vol％。

进一步地，采用的紫外光波长为355nm或405nm，紫外光功率为300mw～500mw，扫描速度为50mm/s～3000mm/s，扫描间距为0.05mm～0.2mm。

进一步地，将所述素坯进行排胶及烧结以得到曲面梯度陶瓷零件。

进一步地，采用的排胶温度为600℃～700℃，升温速率为0.2℃/min～1℃/min，保温时间为6h～12h；采用的烧结温度为1400℃～2000℃，保温时间为2h。

按照本发明的另一个方面，提供了一种采用如上所述的曲面梯度陶瓷零件的制造方法制备而成的曲面梯度陶瓷零件。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的曲面梯度陶瓷零件及其制造方法主要具有以下有益效果：

1.以不同组分的陶瓷膏体为原料，采用光固化将第一种组分的陶瓷膏体沿待制备曲面梯度陶瓷的模型的曲面铺覆并完成固化，随后铺覆第二种组分陶瓷膏体并固化，如此重复，直至铺覆及固化完所有组分的陶瓷膏体，以得到曲面梯度陶瓷零件素坯，继而对素坯进行排胶及烧结以得到曲面梯度陶瓷零件，由此陶瓷本身具有一定的强度，曲面铺覆陶瓷膏体，且采用紫外光照射逐层固化可以很好的解决曲面梯度陶瓷零件难以制造的问题。

2.本方法采取沿曲面逐层叠加制造的方法，使用相关软件将曲面梯度陶瓷模型沿曲面切片，利用陶瓷膏体与浆料不同的特殊性质，结合立体光固化技术，可以有效地成形曲面梯度陶瓷零件。

3.本发明所述的曲面梯度陶瓷零件不同层面可包含不同组分的陶瓷，将不同陶瓷的优良性能结合在一起，可同时解决曲面梯度陶瓷零件如强度、硬度、透波、耐腐蚀、耐高温等各项应用需求，直接制造出结构与性能相结合的曲面梯度陶瓷零件，在航空航天、电子信息等领域具有广阔的应用前景。

4.所述制造方法不需要模具，克服了现有技术依赖模具的缺陷。

附图说明

图1是本发明提供的曲面梯度陶瓷零件的制造方法的原理示意图；

图2中的(a)、(b)、(c)分别是得到的a型夹层结构、b型夹层结构及渐变结构陶瓷天线罩的结构示意图；

图3是本发明提供的曲面梯度陶瓷零件的制造方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1、图2及图3，本发明提供的曲面梯度陶瓷零件的制造方法，所述制造方法主要包括以下步骤：

步骤一，将光引发剂及分散剂溶解在光敏树脂中以获得光敏预混液，再将一种或者多种陶瓷粉体加入所述光敏预混液中进行球磨混合并除气，以获得多种不同组分的陶瓷膏体。

具体地，所述陶瓷粉体可以为常用的氧化物陶瓷粉体、非氧化物陶瓷粉体等，主要有氧化铝(al2o3)陶瓷粉体、石英(sio2)陶瓷粉体、氧化锆(zro2)陶瓷粉体、堇青石陶瓷粉体、氮化硼(bn)陶瓷粉体、氮化硅(si3n4)陶瓷粉体和碳化硅(sic)陶瓷粉体等及碳化硅晶须(sic(w))、氮化硼颗粒(bn(p))、氮化硼晶须(bn(w))、氮化硼纤维(bn(f))等增强相，包括其中的一种或多种。

所述光敏树脂为丙烯酸树脂和/或环氧树脂，所述光引发剂为自由基光引发剂和/或阳离子光引发剂，所述分散剂为聚丙烯酸铵、柠檬酸铵、聚丙烯酸钠、四甲基氢氧化铵、油酸、硬脂酸、聚乙二醇中的一种或多种。

本实施方式中，所述光引发剂的质量为所述光敏树脂质量的1～3wt％；所述分散剂的质量为所述陶瓷粉体质量的1～4wt％；所述陶瓷膏体包括以下体积百分比的组分：陶瓷粉体30～70vol％、光敏预混液30～70vol％。

步骤二，采用计算机辅助软件设计出具有曲面梯度特征的待制造曲面梯度陶瓷零件的模型，并采用建模软件沿模型的曲面进行切片，以实现模型沿曲面的分层。

具体地，所采用的计算机辅助软件可以为nx、print3d等建模软件或自主开发的软件。曲面梯度陶瓷零件是指该曲面梯度陶瓷零件由多层相似结构但不同材料组分的曲面梯度陶瓷层叠加而成，为了使曲面梯度陶瓷零件可以使用增材制造的方法，使用上述软件将待制造曲面梯度陶瓷零件沿曲面分层。

步骤三，以所述的多种不同组分的陶瓷膏体为原料，结合分层结果先将第一种组分的陶瓷膏体沿模型曲面铺覆并采用紫外光照射固化，随后沿着模型曲面铺覆第二种组分的陶瓷膏体并采用紫外光照射固化，如此重复进行直到所有组分的陶瓷膏体铺覆及固化完成，由此得到待制造曲面梯度陶瓷零件的素坯。

具体地，紫外光波长为355nm或405nm，紫外光功率为300mw～500mw，扫描速度为50mm/s～3000mm/s，扫描间距为0.05mm～0.2mm。

步骤四，对所述素坯进行排胶及烧结以得到曲面梯度陶瓷零件。

具体地，采用的排胶温度为600～700℃，升温速率为0.2～1℃/min，保温时间为6h～12h；烧结工艺采用的烧结温度为1400～2000℃，保温时间为2h。

本发明还提供了一种曲面梯度陶瓷零件，所述曲面梯度陶瓷零件是采用如上所述的曲面梯度陶瓷零件的制造方法制备而成的。

以下以几个具体实施例来对本发明进行进一步的详细说明。

实施例1

本发明实施例1提供的曲面梯度陶瓷零件的制造方法主要包括以下步骤：

步骤(a)：将丙烯酸树脂、2，2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮、聚丙烯酸铵按比例均匀混合制得光敏预混液，其中光引发剂的质量为光敏树脂质量的1wt％，分散剂的质量为陶瓷粉体质量的2wt％。接着，称量适量al2o3、zro2陶瓷粉体，调节各项成分比例，之后将陶瓷粉体分别与光敏预混液在行星式球磨机中球磨混合并除气，最终获得al2o3陶瓷膏体中陶瓷粉体占比40vol％、光敏预混液60vol％；zro2陶瓷膏体中陶瓷粉体占比60vol％，光敏预混液40vol％。

步骤(b)：采用计算机辅助软件设计出具有曲面特征的待制造曲面梯度零件模型，使用建模软件沿模型曲面切片。

步骤(c)：以上述制备的al2o3、zro2陶瓷膏体为原料，采用光固化设备将al2o3陶瓷膏体沿模型曲面铺覆并用紫外光照射完成固化，接着铺覆zro2陶瓷膏体完成固化得到曲面梯度陶瓷零件素坯。其中，光固化设备的紫外光波长为355nm或405nm，紫外光功率为300mw～500mw，扫描速度为500mm/s，扫描间距为0.05mm。

步骤(d)：将所述素坯进行排胶及烧结后得到高性能曲面梯度陶瓷零件。其中，排胶工艺采用的排胶温度为600℃，升温速率为0.2℃/min，保温时间为6h；烧结工艺采用的烧结温度为1600℃，保温时间为2h，最终制备出al2o3-zro2曲面梯度陶瓷。

实施例2

本发明实施例2提供的曲面梯度陶瓷零件的制造方法主要包括以下步骤：

步骤(a)：将丙烯酸树脂、1-羟基环己基苯基甲酮、聚丙烯酸钠按比例均匀混合制得光敏预混液，其中光引发剂的质量为光敏树脂质量的2wt％，分散剂的质量为陶瓷粉体质量的3wt％。接着，称量适量al2o3、zro2陶瓷粉体，调节各项成分比例，之后将陶瓷粉体分别与光敏预混液在行星式球磨机中球磨混合并除气，最终获得al2o3陶瓷膏体中陶瓷粉体占比50vol％，光敏预混液50vol％；al2o3/zro2复合陶瓷膏体中al2o3和zro2陶瓷粉体共占比50vol％，光敏预混液50vol％。

步骤(b)：采用计算机辅助软件设计出具有曲面特征的待制造曲面梯度陶瓷零件模型，使用建模软件沿模型曲面切片；

步骤(c)：以上述制备得到的al2o3、al2o3/zro2复合陶瓷膏体为原料，采用光固化设备将al2o3陶瓷膏体沿模型曲面铺覆并用紫外光照射完成固化，随后铺覆al2o3/zro2复合陶瓷膏体并完成固化得到曲面梯度陶瓷零件素坯。其中，光固化设备的紫外光波长为355nm或405nm，紫外光功率为300mw～500mw，扫描速度为1000mm/s，扫描间距为0.1mm。

步骤(d)：将所述素坯进行排胶及烧结后得到高性能的曲面梯度陶瓷零件。本实施例中，排胶工艺采用的排胶温度为650℃，升温速率为0.3℃/min，保温时间为8h；烧结工艺采用的烧结温度为1500℃，保温时间为2h，最终制备出zro2、al2o3/zro2曲面梯度陶瓷。

实施例3

本发明实施例3提供的曲面梯度陶瓷零件的制造方法主要包括以下步骤：

步骤(a)：将环氧树脂、2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦、四甲基氢氧化铵按比例均匀混合制得光敏预混液，其中光引发剂的质量为光敏树脂质量的3wt％，分散剂的质量为陶瓷粉体质量的4wt％。接着，称量适量si3n4陶瓷粉体，调节各项成分比例，之后将陶瓷粉体分别与光敏预混液在行星式球磨机中球磨混合并除气，最终获得a组分si3n4陶瓷膏体中陶瓷粉体占比60vol％，光敏预混液40vol％；b组分si3n4陶瓷膏体中陶瓷粉体占比40vol％，光敏预混液60vol％。

步骤(b)：采用计算机辅助软件设计出具有曲面特征的待制造曲面梯度陶瓷零件模型，使用建模软件沿模型曲面切片。

步骤(c)：以上述制备得到的不同组分si3n4陶瓷膏体为原料，采用光固化设备将a组分si3n4陶瓷膏体沿模型曲面铺覆并用紫外光照射完成固化，接着铺覆b组分si3n4陶瓷膏体并完成固化，最后再铺覆a组分si3n4陶瓷膏体并完成固化得到曲面梯度陶瓷零件素坯。本实施例中，光固化设备的紫外光波长为355nm或405nm，紫外光功率为300～500mw，扫描速度为1500mm/s，扫描间距为0.15mm。

步骤(d)：将所述素坯进行排胶及烧结后得到高性能的曲面梯度陶瓷零件。本实施方式中，排胶工艺采用的排胶温度为700℃，升温速率为0.4℃/min，保温时间为9h；烧结工艺采用的烧结温度为1800℃，保温时间为2h，最终制备出si3n4夹层结构曲面梯度陶瓷。

实施例4

本发明实施例4提供的曲面梯度陶瓷零件的制造方法主要包括以下步骤：

步骤(a)：将环氧树脂、2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦、四甲基氢氧化铵按比例均匀混合制得光敏预混液，其中光引发剂的质量为光敏树脂质量的1wt％，分散剂的质量为陶瓷粉体质量的2wt％。接着，称量适量si3n4陶瓷粉体和sic晶须，调节各项成分比例，将纯si3n4陶瓷粉体和不同组分sic(w)/si3n4陶瓷粉体分别与光敏预混液在行星式球磨机中球磨混合并除气，最终获得纯si3n4陶瓷膏体中陶瓷粉体占比70vol％，光敏预混液30vol％；c组分sic(w)/si3n4陶瓷膏体中si3n4陶瓷粉体占比45vol％，sic晶须占比5vol％，光敏预混液50vol％；d组分sic(w)/si3n4陶瓷膏体中si3n4陶瓷粉体占比40vol％，sic晶须占比10vol％，光敏预混液50vol％。

步骤(b)：采用计算机辅助软件设计出具有曲面特征的待制造曲面梯度陶瓷零件模型，使用建模软件沿模型曲面切片；

步骤(c)：以上述制备得到的纯si3n4陶瓷膏体和不同组分sic(w)/si3n4陶瓷膏体为原料，采用光固化设备将纯si3n4陶瓷膏体沿模型曲面铺覆并用紫外光照射完成固化，接着铺覆c组分sic(w)/si3n4陶瓷膏体并完成固化，最后铺覆d组分sic(w)/si3n4陶瓷膏体并完成固化得到曲面梯度陶瓷零件素坯。本实施例中，光固化设备的紫外光波长为355nm或405nm，紫外光功率为300mw～500mw，扫描速度为2000mm/s，扫描间距为0.2mm。

步骤(d)：将所述陶瓷零件素坯进行排胶及烧结后得到高性能的曲面梯度陶瓷零件。本实施例中，排胶工艺采用的排胶温度为750℃，升温速率为0.5℃/min，保温时间为10h；烧结工艺采用的烧结温度为1750℃，保温时间为2h，最终制备出sic晶须增强的si3n4渐变型结构曲面梯度陶瓷零件。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。