氧化鋁陶瓷的等靜壓成形和3D打印成形*

王 萌 和嬌嬌 羅 娟 楊科偉

(咸陽陶瓷研究設(shè)計(jì)院有限公司 陜西 咸陽 712000)

前言

以無機(jī)氧化鋁(Al2O3)為主要成分的氧化鋁陶瓷稱為特種陶瓷。它是無機(jī)氧化物的非金屬材料之一，具有特殊的用途及性能，也被稱為特種氧化物陶瓷、 高性能氧化陶瓷[1]。

氧化鋁陶瓷是所有氧化物陶瓷中目前應(yīng)用最廣、用途最寬、產(chǎn)銷量最大的氧化物陶瓷材料。它也是一種采用高度精選的氧化鋁為原料，按照特殊的陶瓷制造方法和工藝進(jìn)行生產(chǎn)，能精確地控制其化學(xué)組成和具有優(yōu)異性能的氧化物陶瓷[2]。目前，氧化鋁陶瓷主要廣泛應(yīng)用在高新技術(shù)和尖端的工業(yè)，如微電子、核反應(yīng)堆、航天、磁流體風(fēng)力發(fā)電、人工骨和人工關(guān)節(jié)等制造技術(shù)方面。

1 等靜壓成形

等靜壓成形的方法是將一個(gè)待壓的試樣均勻地放置于一個(gè)高壓容器中，利用試樣對(duì)于液體介質(zhì)的不可連續(xù)壓縮的力學(xué)性質(zhì)和均勻傳遞壓力的性質(zhì)，從各個(gè)方向?qū)υ嚇舆M(jìn)行均勻加壓。 當(dāng)一個(gè)液體介質(zhì)通過一個(gè)壓力泵將試樣注入一個(gè)壓力容器時(shí)，根據(jù)傳統(tǒng)流體力學(xué)的原理，其承受的壓強(qiáng)大小可以保持不變且均勻地傳遞到試樣的各壓力方向[3]。此時(shí)高壓容器中的粉料在各壓力方向上所承受到的壓力大小是均勻的。通過上述的方法可以使瘠性較好的粉料均勻靜壓形成致密坯體的這種方法稱為等靜壓法。

1.1 等靜壓成形工藝

初期粉體成形過程壓力較小時(shí)，粉體顆粒出現(xiàn)遷移和重堆積；然后隨著壓力的提高，粉體顆粒出現(xiàn)局部的流動(dòng)和碎化；最后到成形壓力最大時(shí)，粉體顆粒體積大幅度壓縮，排出大量氣孔，達(dá)到致密化的階段。

1.2 等靜壓成形種類

濕式等靜壓。將預(yù)壓好的坯料包封在彈性的塑料或橡膠模具內(nèi)，密封后放入高壓缸內(nèi)，通過液體傳遞使坯體受壓成形。

干式等彈性靜壓。將塑料坯體密封，采用干式彈性靜壓塑料模具半固定無需浸泡在惰性液體或熱介質(zhì)中，通過上下的活塞運(yùn)動(dòng)進(jìn)行靜壓密封成形。

等靜壓成形也可以分為冷等靜壓和熱等靜壓等，冷等靜壓法就是在常溫下對(duì)液壓工件整體進(jìn)行高壓加工成形的等靜力液壓法[4]。熱等靜壓是在高溫高壓下對(duì)燒結(jié)工件整體進(jìn)行等靜壓成形的一種方法。

1.3 等靜壓成形優(yōu)點(diǎn)

耐磨損——同等條件下，比普通成形材料耐磨10倍左右；

耐腐蝕——內(nèi)襯整體陶瓷可抵抗較強(qiáng)酸堿腐蝕；

致密性——坯體受力均勻，密度分布均一；

抗破碎顆粒和耐沖刷——材料可有效率地抵抗較大的破碎顆粒和對(duì)物料的強(qiáng)力沖刷而不破碎；

采用該成形方法所得坯體干燥時(shí)收縮均勻，不易開裂、分層，解決了模壓成形中的不足。等靜壓成形可用于生產(chǎn)形狀復(fù)雜、尺寸較大的制品。

1.4 等靜壓成形的缺點(diǎn)

坯體的尺寸精度和表面較粗糙，生坯形狀不規(guī)則，需經(jīng)機(jī)械加工最終成形，粉料浪費(fèi)。工藝過程較干壓成形復(fù)雜，生產(chǎn)效率低。由于等靜壓成形缺點(diǎn)的限制，在成形過程中往往出現(xiàn)生坯表面凹凸不平，局部掉豁，無法脫模等問題，從而導(dǎo)致廢品率高，浪費(fèi)過大，成本增加。

1.5 解決方法

1.5.1 模具的種類

傳統(tǒng)夾布橡膠模具在成形過程存在失穩(wěn)、老化開裂導(dǎo)致滲水等問題。而聚氨酯等靜壓模易脫模，壓后模具不粘料，脫模容易，表面光滑，使用壽命長(zhǎng)，模具耐油耐水，抗撕裂強(qiáng)度高，不易氧化，可以長(zhǎng)期放置，具有回彈性好，抗疲勞，長(zhǎng)期使用變形小等優(yōu)勢(shì)。

1.5.2 成形密度

由于成形坯體不同部位收縮率不同，導(dǎo)致坯體密度不均勻， 即使修坯消除了外形尺寸上的差異，但是其缺陷最終可能在燒成階段顯現(xiàn)，因此解決該問題需從根本上解決坯體密度不均勻的問題。為此在成形之前，首先要對(duì)造粒粉粒度有一定要求，粒度范圍選取盡可能要小，球形顆粒占比高且流動(dòng)性好的造粒粉，從而保證各部位收縮的一致性。其次要做嚴(yán)格的定量管控，特定模具要根據(jù)需求特定投量，從而保持宏觀密度的一致性。

1.5.3 填料工藝

在大件產(chǎn)品成形過程中，要采用連續(xù)式投料方法，不能間斷，同時(shí)模具底部的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置應(yīng)保持一定的速度不變，從而通過控制投料速度和轉(zhuǎn)動(dòng)方向來確保模具內(nèi)各部位投料密度保持一致，在成形后保證生坯的外觀形狀，減少浪費(fèi)和損失。

1.5.4 給壓方式

等靜壓設(shè)備給壓方式分為連續(xù)持續(xù)給壓和連續(xù)間歇給壓，連續(xù)持續(xù)給壓多用于體積大，高厚度的加工件，可以保證工件的外形完整性且工件密度均勻致密性好，從而減少分層現(xiàn)象出現(xiàn)；連續(xù)間歇給壓多用于異型，外形不規(guī)則的工件，通過間歇給壓能較好地滿足外形要求。

1.5.5 潤(rùn)滑劑

對(duì)于易起層的工作件坯體在加工時(shí)，在模具內(nèi)表面均勻噴涂潤(rùn)滑劑，有利于減少粉料與模具表面的摩擦力，可以改善坯體起層現(xiàn)象，方便脫模。

2 3D打印成形

3D打印(3D Printing)，屬于快速成形技術(shù)的一種，它是以一種數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層堆疊累積的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。隨著3D打印陶瓷技術(shù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)逐步廣泛應(yīng)用在航天航空等各領(lǐng)域。3D陶瓷打印技術(shù)采用陶瓷材料，并且能夠結(jié)合較為先進(jìn)的陶瓷燒結(jié)加工技術(shù)，制備生產(chǎn)出各種高精度、高強(qiáng)度的陶瓷零件，相比于其他傳統(tǒng)的陶瓷制備工藝會(huì)顯著大大降低加工成本、縮短生產(chǎn)周期、節(jié)省原材料，其未來發(fā)展?jié)摿薮?，從而獲得了更廣泛的發(fā)展和應(yīng)用[5]。

2.1 3D打印技術(shù)分類

3D陶瓷打印技術(shù)主要有：噴墨打印技術(shù)、熔化沉積成形技術(shù)、激光固化成形技術(shù)、分層實(shí)體制造技術(shù)和激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)[6]。其中，激光成形的方法有光固化成形技術(shù)，分層實(shí)體制造技術(shù)和激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)，另外2種屬于非激光成形方法。

2.2 3D打印中氧化鋁粉體的選取

在打印成形過程中應(yīng)采用噴霧造粒技術(shù)制備粒徑在10～150 μm的氧化鋁粉體，再通過激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)打印出具有良好力學(xué)性能的氧化鋁打印物[7]，然后燒結(jié)，表現(xiàn)出氧化鋁陶瓷材料相應(yīng)的物理性質(zhì)。

2.3 3D打印成形的優(yōu)點(diǎn)

(1)在燒制工序前后的外形尺寸變化比較小，精度極高；

(2)無需前期的模具設(shè)計(jì)等工序，有效地簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工序，縮短了制造的周期；

(3)堆積的方式進(jìn)行增材制造，原材料利用率接近100%，極大程度降低了生產(chǎn)成本[8]。

2.4 3D打印氧化鋁陶瓷的應(yīng)用

(1)3D陶瓷打印采用氧化鋁制成的陶瓷支架，可廣泛用于臨床醫(yī)療和外科方面的骨折和關(guān)節(jié)軟組織損傷的修復(fù)。骨關(guān)節(jié)軟組織損傷修復(fù)工程采用陶瓷支架的設(shè)計(jì)和制造，使陶瓷支架流體力學(xué)的強(qiáng)度和尺寸的精準(zhǔn)度都得到了較大的提高，可廣泛用于醫(yī)療和關(guān)節(jié)周圍的骨折和軟組織缺損的填充和修復(fù)，3D打印在臨床醫(yī)學(xué)和外科領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用大大提高了醫(yī)療和外科關(guān)節(jié)修復(fù)治療的安全性和效率，為多孔生物學(xué)界面的設(shè)計(jì)制造和應(yīng)用提供了全新的技術(shù)解決方案。

(2)由3D打印零部件技術(shù)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的航天航空設(shè)備零部件產(chǎn)品具有設(shè)計(jì)精度高、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)規(guī)整、力學(xué)性能好等優(yōu)勢(shì)，制造生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的光打印零配件，并且可以直接用于航空設(shè)備的修復(fù)和裝配，方便快捷。

(3)氧化鋁陶瓷耐腐蝕、耐酸耐堿、耐高溫、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在化工應(yīng)用方面也有廣泛的應(yīng)用。3D打印的氧化鋁陶瓷能夠制作耐腐蝕的精密閥門、特殊催化精密零件等。

(4)3D打印氧化鋁陶瓷耐磨、硬度高，具有光澤性，在珠寶首飾及工藝品領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[9]。

3 結(jié)語

氧化鋁陶瓷產(chǎn)品可以根據(jù)其產(chǎn)品性能要求采用不同的成形方法。等靜壓成形主要適用于各種陶瓷生產(chǎn)，如氧化鋁火花塞、瓷球、柱塞、真空管殼等陶瓷產(chǎn)品，同時(shí)也可應(yīng)用于特種防彈材料的成形。3D打印成形可用于制備復(fù)雜且高性能的陶瓷零部件，減少了成形工藝流程，提高了生產(chǎn)率，在未來的發(fā)展中將會(huì)成為主流成形方法，可以在其他功能陶瓷性能提升等方面進(jìn)行研究。