吳甲民 ，陳敬炎 ，陳安南 ，程立金 ，肖 歡 ，劉榮臻 ，史玉升 ，李晨輝，朱小剛，王聯(lián)鳳

（1.華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074；2.深圳華中科技大學(xué)研究院，深圳 518057；3.上海航天設(shè)備制造總廠，上海 200245）

陶瓷零件因強(qiáng)度高、密度低、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)在航空航天制造領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。世界知名發(fā)動機(jī)公司羅-羅曾對航空發(fā)動機(jī)材料的發(fā)展做出評估：發(fā)動機(jī)中金屬材料，如鋁合金、鎳合金及鈦合金等材料的用量在21世紀(jì)初會逐漸減少，取而代之的將是新型高性能陶瓷材料及其他復(fù)合材料[4]。目前，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的陶瓷零件可分為結(jié)構(gòu)零件（如渦輪整體葉盤、機(jī)頭罩、機(jī)翼前緣和襟翼、導(dǎo)彈的噴管和鼻錐等）和功能零件（如導(dǎo)彈、衛(wèi)星的天線罩和天線窗等）[5-6]。

隨著航空航天科學(xué)技術(shù)水平的快速發(fā)展，新一代飛行器對其零件結(jié)構(gòu)的要求愈加苛刻，滿足整體化、結(jié)構(gòu)-功能一體化及梯度化等要求的復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷零件難以采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行制造[7-8]。比如，采用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法制造陶瓷零件，不僅會嚴(yán)重磨損刀具，而且在加工過程中容易產(chǎn)生毛刺及微裂紋等缺陷[9-10]。此外，對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的陶瓷零件，傳統(tǒng)機(jī)械加工方法耗費(fèi)的周期長、加工成本高且最終零件的表面質(zhì)量及尺寸精度難以得到保證。而凝膠注模成型和直接凝固注模成型等陶瓷近凈成型工藝雖然可以簡化或省去二次機(jī)械加工，但其對模具的依賴程度較高且在制造大尺寸整體零件時往往存在氣孔、翹曲及裂紋等問題。

增材制造（Additive Manufacturing, AM）技術(shù)是集機(jī)械、計(jì)算機(jī)、數(shù)控和材料于一體的先進(jìn)制造技術(shù)，也稱快速制造技術(shù)[11]。該技術(shù)起源于20世紀(jì)80年代，其基本原理是根據(jù)三維實(shí)體零件的截面信息，將三維加工簡化為二維加工，逐點(diǎn)或逐層堆積，最終獲得實(shí)體零件或原型。與傳統(tǒng)制造方法相比，增材制造技術(shù)突破了材料的傳統(tǒng)等材成型和減材成型，可在沒有工裝夾具或模具的情況下，增加材料進(jìn)行成型，在制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢[12]。

近年來，增材制造技術(shù)得到了快速發(fā)展。2012年，美國政府提出振興制造業(yè)計(jì)劃，并將增材制造技術(shù)作為國家制造業(yè)發(fā)展的首要戰(zhàn)略任務(wù)，隨后，歐盟、日本、新加坡、澳大利亞等也紛紛制定了增材制造的國家發(fā)展戰(zhàn)略[13-16]。2013年，世界上第一臺3D打印汽車Urbee2面世；2014年，美國Stratasys公司推出了首款彩色多材料3D打印機(jī)；2015年，美國NASA技術(shù)人員率先利用增材制造技術(shù)制造了全尺寸銅合金火箭發(fā)動機(jī)零件。我國自20世紀(jì)90年代初開始增材制造技術(shù)的研究。近年來，北京航空航天大學(xué)、華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、華南理工大學(xué)、中國航空制造技術(shù)研究院等科研院所在金屬材料、高分子材料、生物材料和復(fù)合材料的增材制造研究方面取得了顯著成績[17-20]。目前，增材制造技術(shù)在制造金屬和聚合物零件方面已較為成熟并獲得了廣泛應(yīng)用，然而采用增材制造技術(shù)制造陶瓷零件仍然面臨著諸多挑戰(zhàn)。本文主要論述了幾類陶瓷零件增材制造技術(shù)的成型原理、優(yōu)勢、研究現(xiàn)狀及存在的問題，并對陶瓷零件增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的潛在應(yīng)用進(jìn)行了分析和展望。

陶瓷零件增材制造技術(shù)

目前，陶瓷零件增材制造技術(shù)按照原材料的形態(tài)可分為4類：（1）基于粉材的增材制造技術(shù)，主要是三維打印（Three-Dimensional Printing，3DP）[21]、激光選區(qū)燒結(jié)（Selective Laser Sintering，SLS）[22]、激光選區(qū)熔化（Selective Laser Melting，SLM）[23]；（2）基于絲材的增材制造技術(shù)，主要是熔融沉積造型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）[24]；（3）基于片材的增材制造技術(shù)，主要是分層實(shí)體制造（Laminated Objected Manufacturing，LOM）[25]；（4）基于液材的增材制造技術(shù)，主要是光固化成型（Stereo Lithography Apparatus，SLA）[26]。陶瓷零件增材制造技術(shù)的分類如圖1所示。

1 基于粉材的陶瓷零件增材制造技術(shù)

1.1 三維打印

3DP技術(shù)原理[15]如圖2所示，在計(jì)算機(jī)的控制下，噴嘴將工作腔內(nèi)的粘結(jié)劑以一定的速度和頻率噴射到指定位置，固化后將粉末粘結(jié)起來，逐層堆積，最后得到實(shí)體零件[27]。3DP技術(shù)的優(yōu)勢主要有：設(shè)備成本低、制造原料廣泛、無需支撐結(jié)構(gòu)就能制造具有內(nèi)腔或懸臂梁的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件。

3DP技術(shù)的原理決定了其成型的陶瓷坯體是多孔的，因此該方法適于制造多孔陶瓷零件，主要應(yīng)用于生物組織工程，如生物支架等。采用3DP技術(shù)制造多孔陶瓷通常可以得到兩類孔隙[28]：（1）人為設(shè)計(jì)的宏觀孔，孔 徑 在 0.5～2mm 之間；（2）3DP素坯經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)后未完全致密化而殘留下來的微觀孔，孔徑一般小于10μm。Will等[29]以羥基磷灰石為原料，通過調(diào)整粉末的粒徑級配，采用3DP技術(shù)制得了不同孔隙率的陶瓷樣品（30%～65%)，如圖 3（a）所示。Fierz等[30]將納米羥基磷灰石噴霧造粒后用于3DP成型，得到了具有宏觀孔和納米孔的多孔生物支架。

圖1 陶瓷零件增材制造技術(shù)分類Fig.1 Classification of additive manufacturing technology for preparing ceramic components

采用3DP技術(shù)制造致密陶瓷零件時，針對其密度較低的問題，主要采用3種方法進(jìn)行改善[28]：（1）向粉末材料中添加液相燒結(jié)助劑。Fielding等[31]向磷酸三鈣粉末中添加了ZrO2和SiO2，采用3DP技術(shù)成功制得了相對密度為95%的陶瓷零件。（2）在高溫?zé)Y(jié)之前，添加浸滲工序。Melcher等[32]在1300℃以熔融銅合金作為浸滲劑對孔隙率為36%的3DP素坯進(jìn)行無壓浸滲處理，得到了完全致密的氧化鋁-銅合金零件，如圖3（b）所示，其抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性也分別達(dá)到了236MPa和5.5MPa·m1/2。上述方法雖然可以提高陶瓷零件的密度，但卻不適用于氮化硅、氧化鋁及氧化鋯等單一組分陶瓷零件的制造。（3）對素坯進(jìn)行等靜壓處理，如冷等靜壓、溫等靜壓。Yoo等[33]對3DP氧化鋁素坯施加溫等靜壓工序，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后，最終得到了近乎完全致密的氧化鋁陶瓷零件（相對密度為99.2%）。然而，該方法不適用于制造具有內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜形狀陶瓷零件。

圖2 3DP技術(shù)原理示意圖Fig.2 Principle schematic diagram of 3DP technology

3DP技術(shù)的不足之處在于成型零件的表面分辨率低、精度差（約為0.2mm）。另外，噴嘴還容易發(fā)生堵塞，需要定期維護(hù)。

1.2 激光選區(qū)燒結(jié)

SLS技術(shù)原理[11]如圖4所示：根據(jù)三維模型的截面信息，采用CO2激光器對粉末進(jìn)行掃描，使粉末軟化或熔化(如高分子粘結(jié)劑)，固化后形成二維實(shí)體，逐層堆積，得到所需實(shí)體零件。由于SLS與3DP都是基于粉末的增材制造技術(shù)，因此SLS也具有以下優(yōu)勢：（1）成型原料廣泛，從理論上說，任何加熱后可以產(chǎn)生原子間粘結(jié)的粉末材料都可以作為SLS的成型原料；（2）無需支撐結(jié)構(gòu)就可以制造復(fù)雜形狀零件，具有高度的幾何獨(dú)立性。

圖3 采用3DP技術(shù)制造的陶瓷零件Fig.3 Ceramic components prepared by 3DP technology

圖4 SLS技術(shù)原理示意圖Fig.4 Principle schematic diagram of SLS technology

由于陶瓷材料的燒結(jié)溫度很高而且陶瓷粉體的堆積密度有限，因此很難采用激光直接燒結(jié)成型，一般需要引入低熔點(diǎn)高分子粘結(jié)劑，成型的素坯經(jīng)過排膠和高溫?zé)Y(jié)后才能達(dá)到所需的性能要求。目前，常見的高分子粉末與陶瓷粉末的混合方式有兩類:

（1）機(jī)械混合法。該方法將陶瓷與高分子粉末按一定比例在行星球磨機(jī)或三維滾粉機(jī)中直接進(jìn)行混合，制備適于SLS成型的復(fù)合粉末。這種制粉方式工序少、操作簡單、周期短，適合大批量生產(chǎn)。華中科技大學(xué)史玉升教授課題組對機(jī)械混合法制備的陶瓷/高分子復(fù)合粉末的SLS成型進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。魏青松等[34]以堇青石為原料，選取環(huán)氧樹脂作為粘結(jié)劑，采用機(jī)械混合法，利用激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)制造了實(shí)際孔隙率為91.30%的多孔堇青石陶瓷零件，如圖5（a）所示。劉夢月等[35]采用機(jī)械混合法制備出SiC/環(huán)氧樹脂E12復(fù)合粉末，并通過SLS技術(shù)成功獲得SiC鏡坯素坯，如圖5（b）所示。然而由于粉床中陶瓷粉末的堆積密度較低，導(dǎo)致素坯的相對密度不到40%。針對SLS制造的陶瓷零件密度較低的問題，劉凱等[36-38]引入了冷等靜壓（Cold Isostatic Pressing,CIP）工序，采用SLS/CIP復(fù)合工藝制造了相對密度分別為97%高嶺土陶瓷零件和92%氧化鋁陶瓷零件，其中氧化鋁零件如圖5（c）所示。

（2）覆膜法。該方法通過溶解沉淀法、溶劑蒸發(fā)法及其他方法將高分子粘結(jié)劑均勻包覆在陶瓷顆粒表面上。這種制粉方式最大的優(yōu)勢在于粘結(jié)劑可以均勻分布，有利于提高SLS成型樣品的質(zhì)量。Shahzad等[39]采用溶解沉淀法制備了適于SLS成型的聚丙烯/氧化鋯復(fù)合微球，經(jīng)SLS、浸滲、溫等靜壓及高溫?zé)Y(jié)后得到了相對密度為86%的氧化鋯陶瓷零件。史玉升等[40]則通過溶解沉淀法將尼龍12均勻包覆在氧化鋯表面，并對SLS素坯進(jìn)行冷等靜壓處理，最終得到了微觀結(jié)構(gòu)均勻的氧化鋯陶瓷零件，如圖5（d）所示，其相對密度達(dá)到了92%。此外，劉凱[37]等還采用溶劑蒸發(fā)法成功制備出了硬脂酸/氧化鋯復(fù)合微球，并獲得了較好的SLS成型效果，素坯的相對密度可達(dá)到42.1%。

圖5 采用SLS技術(shù)制造的陶瓷零件Fig.5 Ceramic components prepared by SLS technology

與3DP類似，SLS受粉末性質(zhì)的影響，成型件的精度及表面粗糙度較差且SLS不適合制造具有細(xì)小微觀孔(＜500μm)的陶瓷零件。此外，由于采用了激光器，因此SLS設(shè)備比較昂貴，制造成本較高而且能源消耗量大。

1.3 激光選區(qū)熔化

SLM是由SLS技術(shù)發(fā)展演變而來的一種新技術(shù)，其制造原理[11]如圖6所示：利用高功率激光束將粉末逐層熔化、堆積成一個冶金結(jié)合、組織致密的實(shí)體零件[41]。相對于SLS而言，SLM技術(shù)一般采用光斑較小的高功率激光器（100～1000W），對應(yīng)于以數(shù)百mm/s的掃描速率進(jìn)行成型。該技術(shù)最大的優(yōu)勢在于無需后處理工序就可以獲得結(jié)構(gòu)與性能兼?zhèn)涞膶?shí)體零件，制造周期較短。

2007年，Shishkovsky等[42]率先采用SLM技術(shù)制造出氧化鋯陶瓷零件，如圖7（a）所示，但零件中存在氣孔和微裂紋等缺陷。為了防止零件因激光燒結(jié)時殘留的熱應(yīng)力而產(chǎn)生裂紋，Leuven等[43]在安裝有兩種激光器的SLM設(shè)備上成功制造了氧化鋁、氧化鋯等無裂紋缺陷的氧化物陶瓷零件。其中CO2激光器負(fù)責(zé)對粉體進(jìn)行預(yù)熱，Nd:YAG激光器則用于熔化陶瓷粉末。然而，由于預(yù)熱溫度過高的原因，零件中出現(xiàn)了晶粒過分長大（90μm）的問題。針對上述問題，Hagedorn等[44]將ZrO2（質(zhì)量分?jǐn)?shù)41.5%）和Al2O3（58.5%）進(jìn)行混合，采用優(yōu)化過的SLS工藝參數(shù)（預(yù)熱溫度為1730℃，激光功率為60W，掃描速度為200mm/s，掃描間距為50 μm，單層層厚為50 μm），制得了微觀結(jié)構(gòu)均勻細(xì)小的ZrO2-Al2O3陶瓷零件，如圖7（b）所示，其抗彎強(qiáng)度達(dá)到了500MPa。

采用SLM技術(shù)可無需后續(xù)燒結(jié)工藝直接制造較為致密的陶瓷零件。然而，由于激光與粉末作用時間較短，激光熔化過程中物理、化學(xué)變化復(fù)雜，獲得的零件常常存在氣孔、裂紋等缺陷。另外，對于高溫預(yù)熱系統(tǒng)的設(shè)備，激光掃描過程中出現(xiàn)的大熔池會使陶瓷表面的粗糙度變高，精度變差。

2 基于絲材的陶瓷零件增材制造技術(shù)（熔融沉積造型）

FDM技術(shù)原理[11]如圖8所示，根據(jù)三維模型的截面信息，熱熔噴頭在計(jì)算機(jī)的控制下將熱熔性材料擠出并沉積在指定位置，逐層堆積獲得三維實(shí)體零件[45]。FDM技術(shù)的主要優(yōu)勢有：（1）原材料制備成卷軸絲的形式，易于搬運(yùn)及更換；（2）適合制造具有中空結(jié)構(gòu)和梯度復(fù)合材料的零件，如圖 9（a）和（b）所示[46]。

圖6 SLM技術(shù)原理示意圖Fig.6 Principle schematic diagram of SLM technology

利用FDM制造陶瓷零件的技術(shù)也被稱為FDC(Fused Deposition of Ceramics)，該方法是將陶瓷粉末與粘結(jié)劑混合后利用擠出機(jī)或毛細(xì)管流變儀制成絲材，然后在FDM設(shè)備上成型。為了獲得較好的成型質(zhì)量，一般要求絲材具有高的固相含量、均勻的顆粒分布、適宜的粘結(jié)性及強(qiáng)度等性能。噴嘴的直徑一般為100～1000μm，材料經(jīng)擠出后的寬度約為噴嘴的1.2～1.5倍。Stuecker等[47]以莫來石為原料，利用直徑為225～1000μm的細(xì)絲成功制造了孔徑尺寸在100～1000μm的多孔莫來石陶瓷素坯，如圖9（c）所示，其支撐結(jié)構(gòu)相對密度為55%，經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)后相對密度可達(dá)96%。另外，部分航空航天關(guān)鍵零件如機(jī)翼前緣和襟翼、導(dǎo)彈的噴管和鼻錐等，需要在能承受極端高溫（＞2000℃）的同時保證足夠的強(qiáng)度。為了達(dá)到這些苛刻的性能要求，一種可行的方法是制備多材料的梯度結(jié)構(gòu)。Leu等[46]以氧化鋁和氧化鋯為原料，采用安裝有三個擠出頭的設(shè)備進(jìn)行陶瓷素坯成型，經(jīng)過冷凍干燥、排膠及高溫?zé)Y(jié)后成功獲得了成分均勻過渡的陶瓷零件，如圖9（d）所示。

圖7 采用SLM技術(shù)制造的陶瓷零件Fig.7 Ceramic components prepared by SLM technology

圖8 FDM技術(shù)原理示意圖Fig.8 Principle schematic diagram of FDM technology

FDM技術(shù)的不足之處主要是：（1）打印精度不高，打印件表面較粗糙；（2）與其他增材制造技術(shù)相比，打印速度較慢，不適合制造大型零件。

3 基于片材的陶瓷零件增材制造技術(shù)（分層實(shí)體制造）

圖9 采用FDM技術(shù)制造的陶瓷零件Fig. 9 Ceramic components prepared by FDM technology

LOM技術(shù)原理[11]如圖10所示，根據(jù)三維模型的截面信息，CO2激光器在涂有熱熔膠的片材上切割出輪廓線，并將非輪廓區(qū)域切割成網(wǎng)格，然后工作臺下降一個層厚的高度，鋪上一層新的片材，在熱壓輥的碾壓作用下使新鋪的片材與已切割層粘結(jié)在一起，重復(fù)上述操作，最終得到三維實(shí)體零件[48]。LOM技術(shù)的主要優(yōu)勢有：（1）成型效率高，利用激光直接對片材進(jìn)行切割，顯著提高了成型效率；（2）無需支撐結(jié)構(gòu)就能制造復(fù)雜形狀零件，因此前期處理工作量較小；（3）制造成本低；（4）不受設(shè)備工作臺限制，可以制造較大尺寸工件；（5）零件有較好的強(qiáng)度和硬度，可進(jìn)行切削加工。

2000年，Rodrigues等[49]通過流延法制得氮化硅陶瓷薄膜，在LOM設(shè)備成型后經(jīng)過1750℃燒結(jié)，獲得了相對密度為97%的氮化硅陶瓷零件，如圖11（a）所示，其抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性分別達(dá)到了918MPa和7.5Pa·m1/2。隨后，為了采用LOM技術(shù)制造具有中空結(jié)構(gòu)且表面傾斜的零件，一種“層壓工程材料的計(jì)算機(jī)輔助制造”方法近年來得到了快速發(fā)展[43]。這種方法的基本原理與傳統(tǒng)的LOM技術(shù)相似，所不同的是廢料在新的片材粘結(jié)之前就被去除，在制造具有斜面或者球面特征的零件時，將切割激光傾斜一定角度可有效防止零件表面階梯效應(yīng)的產(chǎn)生。Gomes等[50]通過這種方法成功制造出具有中空孔隙結(jié)構(gòu)的氧化鋁陶瓷零件，如圖11（b）所示。

圖10 LOM技術(shù)原理示意圖Fig.10 Principle schematic diagram of LOM technology

LOM技術(shù)的不足之處在于制造的零件質(zhì)量受層與層之間粘結(jié)效果的影響，常常存在分層，交界面出現(xiàn)孔隙及各個方向機(jī)械性能不一致等問題。另外，由于LOM技術(shù)采用片材作為基體，又需要剝離廢料，因此不適合制造薄壁零件。

4 基于液材的陶瓷零件增材制造技術(shù)（光固化成型）

SLA技術(shù)原理[11]如圖12所示，以光敏樹脂為原料，在計(jì)算機(jī)的控制下，紫外光源根據(jù)三維模型的截面信息對液態(tài)光敏樹脂進(jìn)行掃描，實(shí)現(xiàn)單層固化，然后工作臺下降一個層厚的高度，重復(fù)上述步驟，最終得到三維實(shí)體零件。SLA是目前研究較成熟的一種增材制造技術(shù)，已成功應(yīng)用于醫(yī)學(xué)與生物領(lǐng)域(如牙齒和骨骼修復(fù))、微技術(shù)領(lǐng)域(如傳感器、壓電元件及光子晶體)及機(jī)械耐熱結(jié)構(gòu)領(lǐng)域(如渦輪葉片)[51]。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要有制造精度高(±0.1 mm)、表面質(zhì)量好、能夠制造具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精細(xì)零件。

SLA技術(shù)中用于制造陶瓷零件的液態(tài)光敏樹脂的組成為陶瓷粉末、單體、光引發(fā)劑及少量分散劑[52-53]。由于SLA技術(shù)采用漿料的形式固化成型，因此素坯相對密度較高（＞55%），經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)后可實(shí)現(xiàn)完全致密化。1996年，Griffith等[54]分別以SiO2、Al2O3、Si3N4為原料，率先采用SLA技術(shù)制造陶瓷素坯，其中氧化鋁陶瓷經(jīng)過1550℃燒結(jié)后，密度已經(jīng)接近理論密度且表面分辨率較高，無明顯分層等現(xiàn)象。Soshu等[55]則采用SLA技術(shù)制造了幾種孔隙率大于60%且孔徑有序分布的多孔陶瓷零件，其支撐結(jié)構(gòu)的相對密度都在95%～98%之間。

目前，SLA技術(shù)絕大部分都是采用紫外激光實(shí)現(xiàn)對光敏樹脂的固化成型，然而通過點(diǎn)-線-面逐步固化方式，無論是成型精度還是速度都受到一定限制。隨著微光學(xué)元件技術(shù)的進(jìn)步及快速制造設(shè)備對速度、精度等性能要求的提高，一種基于掩膜制造工藝的面曝光快速制造技術(shù)近年來得到了快速發(fā)展[56]。該方法是將面光源照射到動態(tài)視圖生成器上，然后在光敏樹脂表面得到所需的零件截面視圖，可一次性實(shí)現(xiàn)整個零件層的固化，逐層堆積，最后得到實(shí)體零件。該技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)在于成型速度快、精度高，因而在微型零件制造領(lǐng)域得到了快速的發(fā)展[57]。奧地利Lithoz公司基于該技術(shù)成功制造了多種精度高、強(qiáng)度大的陶瓷零件[58]，如圖13所示。

盡管SLA技術(shù)已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，然而該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展還面臨以下問題：（1）光敏樹脂價格昂貴且一般具有毒性，容易造成環(huán)境污染。目前市面上的光敏樹脂大多為基于環(huán)氧樹脂的光敏樹脂，價格至少在100美元/kg以上，原材料造價高導(dǎo)致零件制造成本高，不利于光固化快速制造技術(shù)的推廣應(yīng)用[11]。（2）激光器的價格及使用壽命有限導(dǎo)致制件的成本較高。（3）需要根據(jù)零件形狀設(shè)計(jì)特定的支撐結(jié)構(gòu)，以保證制造過程的穩(wěn)定性。

陶瓷零件增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的潛在應(yīng)用

陶瓷零件因具有高溫強(qiáng)度高、密度低、耐磨性好、耐腐蝕等金屬難以比擬的性能，因而在航空航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，陶瓷零件的傳統(tǒng)制造方法存在周期長、成本高、依賴模具等問題，嚴(yán)重制約了高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷零件的深入研發(fā)及廣泛應(yīng)用。

1 關(guān)鍵部件的制造

與傳統(tǒng)制造方法相比，增材制造技術(shù)具有設(shè)計(jì)自由度高、產(chǎn)品研發(fā)周期短、制造成本低等特點(diǎn)，可無需模具快速地制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷零件。在飛行器零件趨于輕量化、整體化、精密化、結(jié)構(gòu)-功能一體化的背景下，陶瓷零件增材制造技術(shù)因其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是航空航天制造業(yè)技術(shù)變革的關(guān)鍵技術(shù)之一，可用于制造幾類關(guān)鍵零件。

圖11 利用LOM技術(shù)制造的陶瓷零件Fig.11 Ceramic components prepared by LOM technology

圖12 SLA技術(shù)原理示意圖Fig.12 Principle schematic diagram of SLA technology

圖13 采用SLA技術(shù)制造的陶瓷零件Fig. 13 Ceramic components prepared by SLA technology

1.1 輕量化和整體化陶瓷零件

將傳統(tǒng)金屬零件的裝配結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樘沾闪慵囊惑w化制造，實(shí)現(xiàn)融合部位的減重，可提高其工作效率，延長使用壽命。以航空發(fā)動機(jī)為例，發(fā)展新型高推重比發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵在于使用的材料和制造技術(shù)。陶瓷材料，如碳化硅和氮化硅，因耐高溫、密度小、熱膨脹系數(shù)低等特點(diǎn)被認(rèn)為是理想的發(fā)動機(jī)零部件材料。研究表明，使用碳化硅、氮化硅等陶瓷材料不僅可以提高發(fā)動機(jī)的工作溫度，同時能夠顯著降低發(fā)動機(jī)的重量，從而提高工作效率并獲得更大的推重比[59]。另外，為了簡化發(fā)動機(jī)整體結(jié)構(gòu)從而進(jìn)一步減重增推，航空發(fā)動機(jī)普遍采用輕量化、整體化零件，如整體葉盤、葉環(huán)等。陶瓷零件增材制造技術(shù)可無需模具、快速制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷零件，具有高度的柔性和應(yīng)變能力，使工業(yè)設(shè)計(jì)人員不再受到傳統(tǒng)陶瓷制造工藝和制造資源的約束[11]。因此，該技術(shù)在航空航天領(lǐng)域輕量化和整體化陶瓷零件制造方面應(yīng)用前景廣闊。

1.2 結(jié)構(gòu)-功能一體化陶瓷零件

結(jié)構(gòu)-功能一體化零件是指將傳統(tǒng)制造模式中的承載結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行有機(jī)融合形成的新型零件[60]。以天線罩為例，天線罩作為結(jié)構(gòu)-功能構(gòu)件，既是制導(dǎo)武器彈頭結(jié)構(gòu)的重要組成，又要保護(hù)飛行器在高溫、腐蝕環(huán)境條件下通訊、遙測、制導(dǎo)、引爆等系統(tǒng)正常工作。因此必須精心挑選使用材料及設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)。目前，陶瓷材料已被廣泛應(yīng)用于制造天線罩，例如Si3N4既是優(yōu)良的高溫結(jié)構(gòu)材料，又可作為新型的功能材料，是現(xiàn)有綜合性能最好的陶瓷材料之一，被美國佐治亞理工學(xué)院稱為最有希望的天線罩材料[61]。天線罩材料多采用夾層結(jié)構(gòu)，外層較薄的致密表層保證抗雨蝕和抗燒蝕性能，具有高孔隙率的較厚芯層提供低介電常數(shù)和可靠的力學(xué)性能，兼顧力學(xué)性能與介電性能的同時，能夠在微波或毫米波段實(shí)現(xiàn)寬頻帶的高透波率[61-62]。然而，該夾層結(jié)構(gòu)難以通過傳統(tǒng)工藝直接成型。增材制造作為一種由三維數(shù)據(jù)驅(qū)動直接制造零件的技術(shù)，具有高度的幾何獨(dú)立性，可為航空航天領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)-功能一體化先進(jìn)陶瓷零件（天線罩等）的制造提供新的技術(shù)途徑。

1.3 異質(zhì)材料功能梯度陶瓷基零件

異質(zhì)材料功能梯度零件是指由兩種或兩種以上的材料復(fù)合而成的零件，零件中的材料成分和顯微組織通過一定的梯度漸變進(jìn)行過渡[60]。現(xiàn)代飛行器在發(fā)展時常常需要同一構(gòu)件的不同部位在不同環(huán)境下服役，即要求同一構(gòu)件的不同部位具有不同的性能。比如航空飛行器在大氣層中超高速飛行時，其頭部表層溫度可達(dá)2100℃，因此必須采用耐高溫的陶瓷材料，而溫度較低的次表層則應(yīng)使用強(qiáng)度和韌性較好的金屬材料[5，63]。這就要求控制飛行器頭部材料組成成分、顯微結(jié)構(gòu)沿厚度方向連續(xù)變化，使其耐熱性能及機(jī)械強(qiáng)度也沿著厚度方向逐漸變化，從而增強(qiáng)飛行器工作的可靠性。陶瓷零件增材制造技術(shù)可為實(shí)現(xiàn)上述零件的結(jié)構(gòu)與性能提供有效的解決途徑。

2 亟需解決的問題

盡管陶瓷零件增材制造技術(shù)已經(jīng)取得了較大的發(fā)展，然而，若要進(jìn)一步將該技術(shù)應(yīng)用到航空航天領(lǐng)域，未來仍然存在諸多問題需要解決。

2.1 陶瓷零件增材制造原材料難以滿足需求的問題

合適的原材料是陶瓷零件增材制造的基礎(chǔ)。然而，當(dāng)前增材制造技術(shù)所用的陶瓷原料存在品種少、品質(zhì)低且制備成本高等問題，難以滿足陶瓷零件增材制造的需求。導(dǎo)致這一問題的原因較多，比如對陶瓷零件增材制造原材料研究不夠深入；生產(chǎn)廠家對原材料生產(chǎn)工藝優(yōu)化不足，生產(chǎn)效率較低等。因此，今后可從以下方面進(jìn)行改進(jìn)：（1）根據(jù)不同陶瓷零件增材制造技術(shù)，拓展陶瓷零件增材制造原材料的研究范圍，研發(fā)新型實(shí)用的高性能原材料，如可用于光固化成型的陶瓷膏等；（2）深入研究現(xiàn)有原材料的性質(zhì)如粉末特性(如顆粒的形貌、粒度及其分布、熱傳導(dǎo)性等)、熔絲特性(如固相含量、粘結(jié)強(qiáng)度及流變性能等)、薄片特性(如柔韌性、強(qiáng)度及疊加性等)及漿料特性(如漿料粘度、光吸收性等)對增材制造陶瓷零件性能的影響；（3）從生產(chǎn)源頭優(yōu)化陶瓷原料的制備工藝，降低原料成本，提升原料品質(zhì)。

2.2 陶瓷零件增材制造工藝缺乏系統(tǒng)深入研究的問題

陶瓷零件增材制造工藝直接影響著制品的宏微觀結(jié)構(gòu)、性能以及生產(chǎn)周期和成本。目前，陶瓷零件增材制造工藝尚存在以下問題：工藝技術(shù)不夠穩(wěn)定，技術(shù)成熟度較低，導(dǎo)致產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和性能的一致性差、重復(fù)度低；繁雜的后處理工序，如浸滲、等靜壓等延長了產(chǎn)品的制造周期，增加了生產(chǎn)成本等。這些問題的存在制約了陶瓷零件增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域中的推廣應(yīng)用。因此，今后需要從以下幾方面進(jìn)行改進(jìn)：（1）注重解決陶瓷零件增材制造基礎(chǔ)科學(xué)問題的同時，加強(qiáng)對技術(shù)和工藝的研發(fā)，掌握陶瓷零件增材制造技術(shù)的一般規(guī)律，建立不同材料、構(gòu)件的工藝數(shù)據(jù)庫，解決產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、性能的一致性和重復(fù)性問題；（2）針對現(xiàn)有陶瓷零件增材制造技術(shù)的缺點(diǎn)(如需引入大量粘結(jié)劑、制造周期長等)，探索新型后處理工藝或研發(fā)新的直接增材制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高性能陶瓷部件的低成本、快速制造。

2.3 增材制造陶瓷零件性能尚需優(yōu)化的問題

陶瓷零件固有的脆性使其存在缺陷敏感性高、韌性低且使用可靠性差等問題，嚴(yán)重制約了增材制造陶瓷零件在航空航天領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。因此，今后的研究方向?qū)⒅饕性谝韵聨讉€方面：（1）實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)增韌方法如晶須、纖維及顆粒補(bǔ)強(qiáng)增韌等在陶瓷零件增材制造技術(shù)中的創(chuàng)新應(yīng)用；（2）利用增材制造技術(shù)的高度柔性和應(yīng)變能力等優(yōu)勢，基于優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，增材制造仿生疊層結(jié)構(gòu)和梯度復(fù)合材料等；（3）完善陶瓷零件可靠性的評價手段，明晰陶瓷零件性能及壽命預(yù)測方法，推動增材制造陶瓷零件的無損檢測技術(shù)及性能表征方法的發(fā)展。

2.4 其他

陶瓷零件增材制造技術(shù)作為一種新型的先進(jìn)制造技術(shù)，若要在航空航天領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，除需解決上述問題外，還需開展在裝備、軟件、標(biāo)準(zhǔn)化等方面的深入研究以及加強(qiáng)專業(yè)人才的培養(yǎng)。比如，研發(fā)多材料增材制造裝備，提高裝備的性能(如成型精度、成型效率和穩(wěn)定性等)，降低增材制造裝備的價格等；研發(fā)面向材料-結(jié)構(gòu)-性能一體化的增材制造軟件，以支持多材料、多結(jié)構(gòu)、多工藝復(fù)合制造；加速陶瓷零件增材制造相關(guān)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)的制定；推動陶瓷零件增材制造專業(yè)人才培養(yǎng)等。

結(jié)束語

隨著航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，愈加苛刻的服役條件對飛行器材料和結(jié)構(gòu)提出了更高的要求，陶瓷零件因其優(yōu)良的性質(zhì)在航空航天領(lǐng)域極具應(yīng)用前景，但高性能復(fù)雜形狀陶瓷零件難以制造一直以來都是限制陶瓷零件在航空航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的瓶頸之一。增材制造技術(shù)作為一種具有高度柔性和應(yīng)變能力的先進(jìn)制造技術(shù)，有望解決這一難題。隨著陶瓷零件增材制造原材料、工藝和陶瓷零件性能的持續(xù)改進(jìn)，以及增材制造裝備、軟件、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善和專業(yè)人才的大力培養(yǎng)，陶瓷零件增材制造技術(shù)必將成為推動航空航天制造業(yè)快速發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，在航空航天領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

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