CN108002842A - 一种复杂形状多孔氮化硅件的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于材料成型相关技术领域，其公开了一种复杂形状多孔氮化硅件的制备方法，该方法将金属激光选区熔化工艺与氮化硅的反应烧结工艺相结合，为制备大尺寸、复杂形状多孔氮化硅部件提供了新的思路；具体包括以下步骤：(1)提供预定质量份数的金属硅粉及氧化物烧结助剂作为原料；(2)采用激光选区熔化工艺对所述原料进行微区部分烧结以预成型出多孔硅坯体；(3)对所述多孔硅坯体进行反应烧结，通过氮化以得到复杂形状多孔氮化硅件。所述制备方法易对多孔氮化硅件实现控形控性，可提高制造效率，灵活性较高，且无需高分子粘结剂。

Description

一种复杂形状多孔氮化硅件的制备方法
技术领域
本发明属于材料成型相关技术领域，更具体地，涉及一种复杂形状多孔氮化硅件的制备方法。
背景技术
长久以来，复杂形状多孔氮化硅陶瓷零件的制备一直是制约多孔氮化硅陶瓷工程应用的难题之一，为此各国研究者们研发了诸如凝胶注模、注浆成型、挤出成型、直接凝固注模等多种氮化硅陶瓷复杂形状件的成型工艺。虽然这些方法可制备复杂形状件，但却均依赖于模具的制造。由于模具本身制造周期长、成本高，使得复杂形状多孔氮化硅件的制造周期和成本也被抬高，特别是小批量、大型复杂形状件的制备尤其如此。近年来增材制造技术的发展，使得复杂形状多孔氮化硅陶瓷件的制备可以摆脱对模具的依赖，实现复杂形状件的无模成型。
增材制造技术基于离散-堆积原理，通过逐点、逐线或逐面的将原料进行叠加成型出复杂形状件，是解决陶瓷复杂形状件成型困难问题的最有前景的技术方法之一。氮化硅陶瓷常用的增材制造技术包括激光选区烧结技术(SLS)、分层实体制造技术(LOM)、光固化技术(SLA)以及熔融沉积造型(FDM)等，当前应用较多的陶瓷增材制造技术中包括间接激光选区烧结技术(indirect SLS)、熔融沉积造型(FDM)和光固化技术(SLA)等技术。但这些技术往往直接以氮化硅陶瓷粉体为原料，并添加高分子粘接剂以实现复杂形状件预制体的成型，再经过高温后处理以获得氮化硅复杂形状件。为提高增材制造成型坯体的强度，导致在增材制造过程中应用的高分子的含量往往较高。这不仅需要在后续处理中增加对高分子的脱脂过程，特别是在大尺寸陶瓷部件的制备过程中光敏树脂可能由于裂解不完全等原因转变为残碳，影响制品性能稳定性。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种复杂形状多孔氮化硅件的制备方法，其基于现有复杂形状多孔氮化硅件的制备特点，研究及设计了一种不使用任何高分子粘结剂的复杂形状多孔氮化硅件的制备方法。所述制备方法采用金属硅和氧化物烧结助剂为原料，利用选区激光熔化工艺对原料粉末进行部分熔化烧结，将其成形为预制体，再通过反应烧结氮化的方法将多孔金属硅预制体转变为多孔氮化硅材料，由于材料中不使用任何高分子粘结剂，且预制体的粘结基于金属颗粒熔化的粘接，故预制体的强度较高、且无任何残碳影响，适宜于大型复杂形状多孔氮化硅零件的制备。
为实现上述目的，本发明提供了一种复杂形状多孔氮化硅件的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)提供预定质量份数的金属硅粉及氧化物烧结助剂作为原料；
(2)采用增材制造工艺对所述原料进行部分烧结以预成型出多孔硅坯体；
(3)对所述多孔硅坯体进行反应烧结、氮化以得到复杂形状多孔氮化硅件。
进一步地，所述金属硅粉的质量份数为80份～95份，所述氧化物烧结助剂的质量份数为5份～20份。
进一步地，所述金属硅粉为平均粒径为1μm～30μm的球形硅粉，其含有的杂质的重量百分比小于1％。
进一步地，所述氧化物烧结助剂为氧化铁、氧化亚铁、氧化钇、氧化镧、氧化铝、氧化锆及氧化镁中的一种或者多种。
进一步地，所述氧化物烧结助剂的粒径为0.01μm～10μm，其含有的杂质的重量百分比小于0.5％。
进一步地，在所述原料进行烧结之前还包括对所述原料进行机械球磨的步骤，球磨时的转速为100转～400转/min，球磨混合时间大于2h。
进一步地，所述增材制造工艺为激光选区熔化工艺。
进一步地，采用所述激光选区熔化工艺按照待成形的复杂形状多孔氮化硅件的模型信息对所述原料进行逐层烧结，激光烧结功率为20W～200W，激光扫描速率为2mm/s～7000mm/s，分层厚度为0.05mm～0.2mm。
进一步地，将所述多孔硅坯件放入氮气烧结炉中，通入流动氮气进行反应烧结，以获得复杂形状多孔氮化硅件。
进一步地，反应烧结的升温速率为5℃～15℃/min，氮气压力不低于0.1MPa，且反应烧结时分别在1100℃、1200℃、1300℃和1450℃保温2h。
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，本发明提供的复杂形状多孔氮化硅件的制备方法主要具有以下有益效果：
1.所述制备方法直接采用金属硅和氧化物烧结助剂作为原料，无需高分子粘结剂，避免了大尺寸部件制备过程中高分子粘结剂引入残碳所产生的问题；
2.采用激光选区熔化工艺对原料进行逐层熔化烧结，以将原料预成型为多孔硅坯件，解决了传统工艺过程中对多孔氮化硅陶瓷依赖于模具成型而难以制备复杂形状件的问题，提高了制造效率及控形能力，灵活性较好；
3.由于不使用任何高分子粘结剂，多孔硅坯件的粘结基于金属颗粒熔化的粘接，其强度较高，无需进行脱脂处理，缩短了复杂形状氮化硅件制备的工艺流程和工艺周期，适宜于大型复杂形状的多孔氮化硅零部件的制备；
4.所述制备方法工艺简单，易于实施，有利于推广应用。
附图说明
图1是本发明较佳实施方式提供的复杂形状多孔氮化硅件的制备方法的流程示意图。
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，本发明较佳实施方式提供的复杂形状多孔氮化硅件的制备方法，所述制备方法采用金属硅和氧化物烧结助剂为原料，利用选区激光熔化工艺对原料粉末进行部分熔化烧结，将其成形为预制体，再通过反应烧结氮化的方法将多孔金属硅预制体转变为多孔氮化硅材料，由于材料中不使用任何高分子粘结剂，且预制体的粘结基于金属颗粒部分熔化形成的粘接，故预制体的强度较高、且无任何残碳影响，适宜于大型复杂形状多孔氮化硅零件的制备。
所述的复杂形状多孔氮化硅件的制备方法主要包括以下步骤：
步骤一，提供预定质量份数的金属硅粉及氧化物烧结助剂作为原料。具体地，所述金属硅粉的质量份数为80份～95份，所述氧化物烧结助剂的质量份数为5份～20份，即所述金属硅粉与所述氧化物烧结助剂的质量比为(80～95)：(5～20)。
本实施方式中，所述金属硅粉为平均粒径为1μm～30μm的球形硅粉，其含有的杂质的重量百分比小于1％；所述氧化物烧结助剂为氧化铁、氧化亚铁、氧化钇、氧化镧、氧化铝、氧化锆及氧化镁中的一种或者多种，所述氧化物烧结助剂的粒径为0.01μm～10μm，其含有的杂质的重量百分比小于0.5％。
步骤二，采用增材制造工艺对所述原料进行部分烧结以预成型出多孔硅坯体。优选地为，所述增材制造工艺为激光选区熔化工艺。
在所述原料进行烧结之前还包括对所述原料进行机械球磨以得到混合粉末或者将所述原料造粒为30μm～100μm的造粒粉，球磨时的转速为100转～400转/min，球磨混合时间大于2h。
本实施方式中，将所述混合粉末放入增材制造设备的铺粉罐中，之后按照待成形的复杂形状件的模型信息采用铺粉棍将所述混合粉末刮平，以使所述混合粉末铺满整个成型面，之后通过逐层铺粉逐层烧结的方法对所述混合粉末进行激光选区熔化烧结成型出多孔硅坯件。其中，激光烧结功率为20W～200W，激光扫描速率为2mm/s～7000mm/s，分层厚度为0.05mm～0.2mm。
步骤三，对所述多孔硅坯体进行反应烧结、氮化以得到复杂形状多孔氮化硅件。
具体地，将所述多孔硅坯件放入氮气烧结炉中，通入流动氮气进行反应烧结，以获得复杂形状多孔氮化硅件。其中，反应烧结的升温速率为5℃～15℃/min，氮气压力不低于0.1MPa，且反应烧结时分别在1100℃、1200℃、1300℃和1450℃保温2h。
以下以几个实施例对本发明进行进一步的详细说明。
实施例1
本发明第一实施例提供的复杂形状多孔氮化硅件的制备方法包括以下步骤：
11.原料准备：按重量份数准备80份粒径为1μm的硅粉、10份粒径为0.01μm的氧化钇粉及10份粒径为0.01μm氧化铝粉，将所述硅粉、所述氧化钇粉和氧化铝粉分别称量后放入球磨罐中，并进行机械球磨以得到混合粉末。其中，球磨速度为100转/min，球磨时间为4h。
12.增材制造：将所述混合粉末放入激光增材制造设备所用的进料缸中，并在工作舱内通入氩气保护后，按照待成形的复杂形状多孔氮化硅件的模型信息将所述混合粉末逐层铺粉并采用激光对粉体进行选区熔化，以获得多孔坯件。其中，激光烧结的激光功率为200W，激光扫描速率为7000mm/s，分层厚度为0.2mm。
13.反应烧结：将所述多孔坯体放入氮气烧结炉中，通入流动氮气，氮气气压为0.15MPa，以升温速率为5℃/min逐步升温，并分别在1100℃、1200℃、1300℃和1450℃保温2h，烧结完成后即获得复杂形状多孔氮化硅件。
实施例2
本发明第二实施例提供的复杂形状多孔氮化硅件的制备方法主要包括以下步骤：
21.原料准备：按重量份数准备80份粒径为30μm的硅粉、10份粒径为0.1μm的氧化铁粉及10份粒径为0.1μm的氧化锆粉，将所述硅粉、所述氧化铁粉及氧化锆粉分别称量后放入球磨罐中进行机械球磨，以得到混合粉末。其中，球磨速度为100转/min，球磨时间为2h。
22.增材制造：将所述混合粉末放入激光增材制造设备所用的进料缸中，并在工作仓内通入氩气保护后，按照待成形的复杂形状多孔氮化硅件的模型信息将所述混合粉末逐层铺粉并对所述混合粉末采用激光功率为20W、激光扫描速率为2mm/s、分层厚度为0.05mm的激光烧结工艺进行逐层烧结，增材制造完成后即获得硅与烧结助剂复合的多孔坯体。
23.反应烧结：将所述多孔坯体放入氮气烧结炉中，通入流动氮气，氮气气压为0.15MPa，以升温速率为5℃/min进行逐步升温，并分别在1100℃、1200℃、1300℃和1450℃保温2h，烧结完成后即获得复杂形状多孔氮化硅件；
实施例3
本发明第三实施例提供的复杂形状多孔氮化硅件的制备方法主要包括以下步骤：
31.原料准备：按重量份数准备95份粒径为5μm的硅粉、3份粒径为5μm的氧化镧粉及2份粒径为5μm的氧化钇粉，并将所述硅粉、所述氧化钇粉及所述氧化镧粉分别称量后放入球磨罐中进行机械球磨以得到混合粉末。其中，球磨速度为400转/min，球磨时间为4h。
32.增材制造：将所述混合粉末放入激光增材制造设备所用的进料缸中，并在工作舱内通入氩气保护后，按照待成形的复杂形状多孔氮化硅件的模型信息将所述混合粉末逐层铺粉并采用激光功率为200W、激光扫描速率为7000mm/s、分层厚度为0.2mm的激光烧结工艺对所述混合粉末进行逐层烧结，增材制造完成后即获得硅与烧结助剂复合的多孔坯体。
33.反应烧结：将所述多孔坯体放入氮气烧结炉中，通入流动氮气，氮气气压为0.15MPa，以升温速率为5℃/min进行逐步升温，并分别在1100℃、1200℃、1300℃和1450℃保温2h，烧结完成后即获得复杂形状多孔氮化硅件。
实施例4
本发明第四实施例提供的复杂形状多孔氮化硅件的制备方法主要包括以下步骤：
41.原料准备：按重量份数准备85份粒径为30μm的硅粉、2份径为10μm的氧化锆粉及13份粒径为10μm的氧化镁粉，将所述硅粉、所述氧化锆粉及氧化镁粉分别称量后放入球磨罐中进行机械球磨以得到混合粉末。其中，球磨速度为400转/min，球磨时间为6h。
42.增材制造：将所述混合粉末放入激光增材制造设备所用的进料缸中，并在工作舱内通入氩气保护后，按照待成形的复杂形状多孔氮化硅件的模型信息将所述混合粉末逐层铺粉并采用激光功率为160W、激光扫描速率为800mm/s、分层厚度为0.05mm的激光烧结工艺进行逐层烧结，增材制造完成后即获得硅与烧结助剂复合的多孔坯体；
43.反应烧结：将所述多孔坯体放入氮气烧结炉中，通入流动氮气，氮气气压为0.15MPa，以升温速率为5℃/min进行逐步升温，并分别在1100℃、1200℃、1300℃和1450℃保温2h，烧结完成后即获得复杂形状多孔氮化硅件。
以上4个实施例制备的复杂形状多孔氮化硅件的部分性能参数详见表1。
表1
本发明提供的复杂形状多孔氮化硅件的制备方法，其采用金属硅和氧化物烧结助剂为原料，利用选区激光熔化工艺对原料粉末进行部分熔化烧结，将其成形为预制体，再通过反应烧结氮化的方法将多孔金属硅预制体转变为多孔氮化硅材料，由于材料中不使用任何高分子粘结剂，且预制体的粘结基于金属颗粒部分熔化形成的粘接，故预制体的强度较高、且无任何残碳影响，适宜于大型复杂形状多孔氮化硅零件的制备。
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。

Claims (10)

1.一种复杂形状多孔氮化硅件的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)提供预定质量份数的金属硅粉及氧化物烧结助剂作为原料；
(2)采用增材制造工艺对所述原料进行部分烧结以预成型出多孔硅坯体；
(3)对所述多孔硅坯体进行反应烧结，通过氮化以得到复杂形状多孔氮化硅件。
2.如权利要求1所述的复杂形状多孔氮化硅件的制备方法，其特征在于：所述金属硅粉的质量份数为80份～95份，所述氧化物烧结助剂的质量份数为5份～20份。
3.如权利要求1所述的复杂形状多孔氮化硅件的制备方法，其特征在于：所述金属硅粉为平均粒径为1μm～30μm的球形硅粉，其含有的杂质的重量百分比小于1％。
4.如权利要求1-3任一项所述的复杂形状多孔氮化硅件的制备方法，其特征在于：所述氧化物烧结助剂为氧化铁、氧化亚铁、氧化钇、氧化镧、氧化铝、氧化锆及氧化镁中的一种或者多种。
5.如权利要求1-3任一项所述的复杂形状多孔氮化硅件的制备方法，其特征在于：所述氧化物烧结助剂的粒径为0.01μm～10μm，其含有的杂质的重量百分比小于0.5％。
6.如权利要求1-3任一项所述的复杂形状多孔氮化硅件的制备方法，其特征在于：在所述原料进行烧结之前还包括对所述原料进行机械球磨的步骤，球磨时的转速为100转～400转/min，球磨混合时间大于2h。
7.如权利要求1-3任一项所述的复杂形状多孔氮化硅件的制备方法，其特征在于：所述增材制造工艺为激光选区熔化工艺。
8.如权利要求7所述的复杂形状多孔氮化硅件的制备方法，其特征在于：采用所述激光选区熔化工艺按照待成形的复杂形状多孔氮化硅件的模型信息对所述原料进行逐层烧结，激光烧结功率为20W～200W，激光扫描速率为2mm/s～7000mm/s，分层厚度为0.05mm～0.2mm，气氛条件为真空或氩气保护。
9.如权利要求1-3任一项所述的复杂形状多孔氮化硅件的制备方法，其特征在于：将所述多孔硅坯件放入氮气烧结炉中，通入流动氮气进行反应烧结，以获得复杂形状多孔氮化硅件。
10.如权利要求9所述的复杂形状多孔氮化硅件的制备方法，其特征在于：反应烧结的升温速率为5℃～15℃/min，氮气压力不低于0.1MPa，且反应烧结时分别在1100℃、1200℃、1300℃和1450℃保温2h。
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