一种碳化硅陶瓷及其制备方法和应用与流程

本发明涉及陶瓷3d打印制备，具体涉及一种碳化硅陶瓷及其制备方法和应用。

背景技术：

1、碳化硅陶瓷具有耐磨性高、分解温度高、耐腐蚀性好等多种优良特性，十分契合特种工业泵腐蚀磨蚀剧烈的应用工况，已在特种工业泵领域得到广泛应用。碳化硅陶瓷耐磨性和体积密度呈正相关，一般体积密度越高，则耐磨性越好。

2、传统的陶瓷成型方法都依赖模具来制备碳化硅陶瓷生坯，陶瓷生坯制造周期较长、成本高，并且生产叶轮、蜗壳等形状复杂的泵过流件时较为困难。3d打印技术能摆脱模具的限制，实现零件的快速成形及个性化定制需求，但3d打印技术生产的陶瓷生坯存在较多孔隙，陶瓷生坯烧结后体积密度不高，因此，提高3d打印碳化硅陶瓷产品的体积密度对于其在泵过流件上的应用具有重要意义。

3、为提高3d打印碳化硅陶瓷坯体的致密度，现有技术中出现了多种成形与后处理工艺组合方案。第一种方案是在打印用粉料中预先引入炭黑等碳源，再通过激光选区烧结（sls）成形，随后进行热解及渗硅反应烧结。例如，专利申请cn106083059a中公开了一种基于激光3d打印技术的复杂结构碳化硅陶瓷零件制造方法，其将碳化硅粉末与含碳源的粘结剂混合后进行激光烧结成形，再经热解、渗硅反应烧结得到碳化硅陶瓷零件。然而，该类方案在激光烧结成形过程中易因急热急冷效应产生裂纹，且热解脱除粘结剂时坯体内部会产生大量孔隙，渗硅过程中渗硅量不易控制，容易出现硅富集导致材料变脆、渗硅通路阻塞导致坯体强度不均等问题，成品率有待提高。

4、第二种方案是采用粘结剂喷射（binder jetting）3d打印成形碳化硅陶瓷坯体后，通过化学气相渗透（cvi）结合热等静压（hip）进行致密化处理。例如，专利申请cn107098714a中公开了一种基于3dp增材制造技术的碳化硅基陶瓷零件制造方法，其通过粘结剂喷射打印得到陶瓷素坯并脱脂后，采用化学气相渗透与热等静压相结合的方式提高致密度。但该类致密化工艺周期长、设备昂贵，且化学气相渗透对复杂内部流道结构的渗透深度有限，难以实现坯体内部的均匀致密化，不利于叶轮、蜗壳等内部流道复杂的泵过流件的规模化生产。

5、第三种方案是在粘结剂喷射打印得到陶瓷素坯并脱脂后、渗硅反应烧结前，增加高残碳树脂浸渍裂解工序以补充坯体内部碳源，从而提高渗硅反应烧结后的致密度。例如，专利申请cn115286394a中公开了一种粘结剂喷射打印碳化硅陶瓷材料的制备方法，其在脱脂素坯上浸渍酚醛树脂与酒精配制的浸渍液并交联固化、高温裂解转化为裂解碳，再与硅进行反应烧结。专利申请cn116425548a中公开了一种基于颗粒级配粉体的粘结剂喷射打印碳化硅陶瓷复合材料及其制备方法，其采用多种粒径碳化硅粉体级配打印成形坯体，同样在渗硅反应烧结前采用酚醛树脂与乙醇溶液对坯体进行浸渍处理。上述方案虽然通过树脂浸渍增碳在一定程度上提高了碳化硅陶瓷的致密度，但均未针对叶轮、蜗壳等结构复杂、对耐磨耐蚀性能要求苛刻的泵过流件进行原料配比、打印工艺与浸渍工艺参数的针对性优化，所得陶瓷材料的体积密度、耐磨性能仍有进一步提升的空间，难以直接满足特种工业泵过流件严苛工况下的应用需求。

6、综上所述，现有的3d打印碳化硅陶瓷制备技术在坯体致密化路径上尚存在裂纹敏感、渗硅不均、致密化周期长、设备成本高等问题，且缺乏面向泵过流件应用场景、兼顾粉体配方与浸渍增碳工艺参数的系统性优化方案，导致所得碳化硅陶瓷产品的体积密度和耐磨耐蚀性能难以满足特种工业泵在高磨蚀工况下的严苛要求。因此，亟需提供一种既能保留3d打印技术摆脱模具限制、实现复杂结构一次成形优势，又能显著提升碳化硅陶瓷致密度与耐磨耐蚀性能的泵过流件增材制造方法。

技术实现思路

1、基于上述问题，本发明提供一种碳化硅陶瓷及其制备方法。

2、一种碳化硅陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

3、s1、将碳化硅粉、炭黑、分散剂与水混合，研磨、干燥、筛分，得到粉料；

4、s2、将所述粉料与固化剂混合，得到第一混合物；将第一混合物送入3d打印机，向第一混合物中喷射第一树脂进行固化反应，得到陶瓷生坯；

5、s3、将陶瓷生坯浸泡在第二混合物中，在-50kpa、30℃浸渍60min，室温下晾干后于80℃固化，得到预处理陶瓷生坯；所述第二混合物由第二树脂与乙醇按照6:4的质量比组成；

6、s4、将预处理陶瓷生坯与预处理硅粒混合后置于真空下进行烧结，得到碳化硅陶瓷；所述预处理硅粒包括以下质量份的组分：90份硅粒、3份炭黑、2份氮化硼、2份聚乙烯吡咯烷酮k90、3份水。

7、在优选的方案中，步骤s1中碳化硅粉由粒径为20μm~50μm的碳化硅粉、粒径为60μm~150μm的碳化硅粉按照（1~3）：（7~9）的质量比组成。

8、在优选的方案中，步骤s1中炭黑的粒径为5μm~10μm。

9、在优选的方案中，步骤s1中，炭黑与碳化硅粉的质量比为（8~15）：100。

10、在优选的方案中，步骤s1中，分散剂的质量为碳化硅粉质量的0.6%。

11、在优选的方案中，步骤s1中分散剂为byk-111、byk-066n中的至少一种。

12、在优选的方案中，步骤s2中，所述固化剂与所述粉料的质量比1：300。

13、在优选的方案中，步骤s2中所述固化剂与第一树脂的质量比为1：10。

14、在优选的方案中，步骤s2中固化剂为磺酸固化剂。

15、在优选的方案中，步骤s2中第一树脂为3d呋喃树脂。

16、在优选的方案中，步骤s3中第二树脂为3d呋喃树脂、酚醛树脂中的至少一种。

17、在优选的方案中，步骤s4中，预处理陶瓷生坯与预处理硅粒按照10：9的质量比混合。

18、在优选的方案中，步骤s4中烧结温度为1600℃~1750℃。

19、与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

20、（1）本发明的技术方案中，通过优化原料配比、陶瓷生坯成型工艺与浸渍工艺，显著提升了陶瓷生坯的生产效率与所得陶瓷材料的耐磨性能，将碳化硅与炭黑、分散剂充分混合并研磨，不仅提高了粉体的均匀性和致密性，还引入了碳源，最终制备得到了高致密度的碳化硅陶瓷产品。

21、（2）本发明采用3d打印技术制备陶瓷生坯的方式，实现复杂结构零部件的一次成型，摆脱了模具的限制，成本低廉。

22、（3）本发明采用碳化硅过流件与金属外壳结合的制造工艺，使最终获得的陶瓷泵具备优异的耐磨性能，适用于高磨损工况下的严苛应用环境。

1.一种碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s1中碳化硅粉由粒径为20μm~50μm的碳化硅粉、粒径为60μm~150μm的碳化硅粉按照（1~3）：（7~9）的质量比组成；

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s1中，炭黑与碳化硅粉的质量比为（8~15）：100；

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述固化剂与所述粉料的质量比1：300；

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s1中分散剂为byk-111、byk-066n中的至少一种；

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s2中第一树脂为3d呋喃树脂；

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s4中，预处理陶瓷生坯与预处理硅粒按照10：9的质量比混合。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s4中烧结温度为1600℃~1750℃。

9.权利要求1~8任一项所述的制备方法制备得到的碳化硅陶瓷。

10.权利要求9所述的碳化硅陶瓷在制备泵过流件中的应用。