大尺寸透波陶瓷構件3D打印技術的發展

曾照勇,李迎欣,李 煒,顧 昊,黃 凱

(上海無線電設備研究所,上海 201109)

0 引言

陶瓷具有高強度、高硬度、耐磨、耐高溫、耐腐蝕、防潮、絕緣等優良的化學、物理和力學性能,在航空、航天、船舶、汽車、電子等領域應用廣泛[1-2]。

高性能透波陶瓷是一類重要的陶瓷材料,其典型應用包括天線罩等導彈關鍵部件。天線罩用于保護導引頭內部的探測系統,使其在導彈高速、高機動飛行條件下能夠正常工作。天線罩集承載、耐溫、透波等功能于一體,具有尺寸大、加工精度要求高、性能控制嚴等特點,對導彈的氣動特性和探測性能有著重要的影響[3-4]。

針對外形及結構復雜的透波陶瓷天線罩制造周期長、制備困難等問題,本文對導彈陶瓷天線罩3D 打印技術的應用需求、工藝方法和發展現狀進行分析,并探討高性能透波陶瓷天線罩3D 打印技術的發展方向。

1 透波陶瓷天線罩3D 打印需求分析

新一代導彈正向著超高速飛行、超遠距精確打擊、多功能一體化等方向發展,對制導系統提出了耐高溫高可靠服役、遠距精確探測、超寬帶制導等發展要求[5]。作為決定制導系統探測性能和氣動性能的核心構件,具備優異氣動特性和高溫承載、超寬帶透波等性能的陶瓷天線罩的研制已成為新一代導彈研制中迫切需要解決的關鍵問題。發展大尺寸高性能透波陶瓷構件的快速、精確成型技術,具有重要的軍事意義與社會意義。

1.1 陶瓷天線罩無模具快速試制需求

目前陶瓷天線罩材料的研究和應用主要以石英陶瓷和氮化硅陶瓷為主。石英陶瓷天線罩一般采用泥漿澆注、注凝成型等成型方法[6-7],氮化硅陶瓷天線罩一般采用熱壓燒結、熱等靜壓燒結、反應燒結、無壓燒結等成型方法[8]。以上成型方法均需采用模具,基于模具的天線罩成型如圖1所示。此外,成型的陶瓷構件素坯還需經過復雜的磨削加工才能形成最終產品,整體制造周期長。在研制階段,需要實現天線罩快速試制以縮短研制周期,迫切需要發展不需要模具的天線罩快速制造方法。

圖1 基于模具的天線罩成型

1.2 復雜結構外形陶瓷天線罩研制需求

傳統的天線罩一般采用軸對稱的流線型外形[9],這種天線罩制造工藝簡單,一般用于導彈飛行馬赫數不高于5的場合。飛行馬赫數為5～16的高超聲速導彈具有飛行速度快、突防能力強、攻擊目標范圍廣、殺傷威力大等特點,成為航空航天領域發展的一個主要方向[10]。為滿足導彈高超聲速飛行需求,具有較高升阻比和更強機動性的乘波體等復雜結構外形成為高超聲速導彈構型的重要發展方向[11]。美國率先將乘波體應用于X-51A 實驗型高超聲速飛行器[12],該飛行器外形如圖2所示。飛行器復雜的結構外形使得天線罩的制造難度和成本大幅增加,迫切需要發展可以實現復雜結構外形天線罩快速制造的工藝方法。

圖2 美國X-51A 實驗型高超聲速飛行器

1.3 寬帶夾層結構陶瓷天線罩研制需求

為了提升制導精度和抗干擾能力,多模、多波段復合探測成為精確制導的重要發展方向[13-14]。這要求天線罩必須在更寬的工作頻段范圍內工作,天線罩從窄帶透波拓展到2 GHz以上的寬帶透波。但傳統天線罩一般采用單層半波壁結構,工作帶寬有限。

采用夾層結構是實現天線罩寬帶透波的重要途徑[15]。天線罩典型夾層結構主要由外蒙皮、多孔芯層、內蒙皮等組成,如圖3所示。

圖3 天線罩典型夾層結構示意圖

理論計算表明,多孔夾層結構可以實現天線罩寬帶透波。郭敏等[16]運用傳輸線理論設計了一種寬頻帶的導彈天線罩,其在(1～15)GHz頻帶內的功率傳輸效率大于88%。王海東等[17]對用于天文探測的杜瓦系統天線罩進行了優化設計,結果表明,(1～30)GHz頻帶內,單層結構的天線罩透波率優于79%,而C夾層結構的天線罩透波率優于90%。

寬帶夾層結構陶瓷天線罩的復雜結構給其制備帶來了很大的難度,國內外在夾層結構陶瓷天線罩的制備上開展了大量的研究。美國波音公司研制了兩層結構的多倍頻程寬帶天線罩,該天線罩由低密度的氮化硅芯層和高密度的氮化硅表面組成[18]。美國雷錫恩公司采用有機先驅體聚合物浸漬裂解工藝,制備了三明治結構的氮化硅材料。該三明治結構的中間層為多孔材料,兩側為石英纖維布疊層,疊層外表面為致密的含二氧化鈦(TiO2)聚硅氮烷涂層[19]。閆法強[20]采用磷酸鹽黏結技術制備了磷酸鋯陶瓷體系(Zr P2O7/SiO2/ZrP2O7)的A 夾層結構和Si-B-O-N 陶瓷體系(SiO2/Si3N4-BN-SiO2(n)/SiO2)的B 夾層結構平板,其中A 夾層結構平板材料在(2～5)GHz和(9～12)GHz 頻帶內透波率大于90%,B 夾層結構平板材料在(3～6)GHz 和(11～17)GHz頻帶內透波率大于90%。

目前寬帶夾層結構陶瓷天線罩制備技術成熟度不高,且工藝復雜、成本較高,迫切需要進一步探索新的制備方法。

1.4 陶瓷天線罩3D打印技術的發展需求

為滿足陶瓷天線罩快速試制以及復雜結構外形、寬帶夾層結構天線罩精密研制的需求,陶瓷3D 打印技術成為重要的發展方向。相對于傳統制造技術,3D 打印不需要模具,成型速度快,特別適用于復雜異形構件成型,且構件越復雜,優勢越顯著[21-22]。因此發展陶瓷3D 打印技術,對于天線罩的快速試制及技術發展具有重要的意義。

2 陶瓷3D 打印工藝分析

近年來,陶瓷3D 打印技術以其快速成型、無模成型的優點得到了長足的發展,在國內外受到越來越多的關注。該技術在機械、電子、航空、航天、生物、醫療等領域得到了廣泛的應用,并發展了多種3D 打印工藝[23-24]。

2.1 陶瓷3D打印工藝路線分析

與金屬材料不同,常用的透波陶瓷材料難以應用選擇性激光熔化(selective laser melting,SLM)等直接打印工藝進行成型。石英陶瓷在加熱至1 600℃熔化后性能會發生變化,而氮化硅陶瓷雖在常壓下沒有固定熔點,但加熱至1 870℃后也會發生分解,因此透波陶瓷一般采用間接3D 打印工藝。間接3D 打印工藝是在陶瓷粉中添加黏結劑制備出打印材料,在打印設備中制備出陶瓷素坯,在脫脂爐中去除黏結劑,并在燒結爐中燒結形成致密化的陶瓷構件,最后通過精密磨削加工得到陶瓷成品。其工藝路線如圖4所示。

圖4 陶瓷間接3D 打印工藝路線

2.2 陶瓷3D打印工藝

目前高性能陶瓷3D 打印的主要工藝方法包括三維打印成型(three-dimensional printing,3DP)、激光選區燒結(selective laser sintering,SLS)、熔融沉積成型(fused deposition modeling,FDM)、立體光刻成型(stereo lithography apparatus,SLA)、數字光處理成型(digital light processing,DLP)等[25-27]。這些方法的主要區別在于打印材料以及層間黏結、固化方式。

(1) 三維打印成型

三維打印成型工藝如圖5所示。將陶瓷粉末平鋪在打印平臺上,通過打印頭逐層噴射黏結劑使陶瓷粉末黏結在一起形成打印構件。3DP 工藝具有成型時間短、成本低、材料利用率高等優點,但打印的構件存在孔隙率高、精度差、材料分布不均勻等問題,只能用于強度要求不高的場合。

圖5 三維打印成型工藝示意圖

(2) 激光選區燒結

激光選區燒結工藝如圖6所示。將混入了黏結劑的陶瓷粉末打印材料通過鋪粉裝置平鋪在升降平臺上,激光器發射的紅外光束通過x-y掃描鏡對指定區域進行逐層掃描,使陶瓷粉末中的黏結劑熔化,并與已成形的部分黏結形成打印構件。SLS工藝打印速度快,但對工作環境和打印設備有較高的要求,且打印的陶瓷構件致密性差、力學性能不高。

圖6 激光選區燒結工藝示意圖

(3) 熔融沉積成型

熔融沉積成型工藝如圖7所示。將陶瓷粉末和黏結劑進行均勻混合,黏結劑在打印噴嘴中進行加熱至熔化后,絲狀流體材料從軸線上被擠出并逐層沉積在打印平臺上,得到三維打印構件。

圖7 熔融沉積成型工藝示意圖

(4) 立體光刻成型

立體光刻成型工藝如圖8所示。首先在升降平臺表面鋪上一定厚度的陶瓷料漿。然后激光器發射的紫外光束通過x-y掃描鏡按打印輪廓逐點掃描,使陶瓷料漿中的光敏樹脂固化,形成一個固化層。每打印一層,升降平臺下降一定高度,并用刮板刮平固化層表面的陶瓷料漿,再進行后續層的掃描固化,直至完成構件打印。SLA 工藝打印的陶瓷素坯表面質量較好、強度較高,但采用逐點掃描固化導致打印效率相對較低。

圖8 立體光刻成型工藝示意圖

(5) 數字光處理成型

數字光處理成型工藝與SLA 工藝較為接近,均為光固化成型。不同之處是DLP 采用光學投影系統將待打印的圖像輪廓進行整體投影,單次固化面積大,因此打印速度比SLA 有了一定提高,且成型精度優于SLA。

此外,陶瓷3D 打印還有分層實體制造、噴墨打印成型等工藝方法,但這些工藝方法制備的陶瓷構件強度較低,不能用于對力學性能要求較高的透波陶瓷成型。

2.3 陶瓷3D 打印工藝方法對比

從成型速度、打印精度、制造成本、構件強度等方面對陶瓷3D 打印工藝進行指標對比分析,如表1所示。

表1 陶瓷3D打印工藝的指標對比

不同的陶瓷3D 打印工藝具有不同的特點。針對導彈天線罩等應用場合,由于導彈天線罩對力學強度、表面質量、電性能均有嚴格的要求,3DP工藝打印的陶瓷構件強度過低而難以滿足要求。SLS工藝和FDM 工藝可用于單層結構的陶瓷天線罩打印,并通過后續的精密加工保證表面質量,但打印的構件精度較低,因此難以用于寬帶夾層結構天線罩的打印。SLA 工藝和DLP工藝打印的陶瓷構件表面質量和精度較高,可用于各類陶瓷天線罩的制備,但打印效率較低、成本較高。

3 透波陶瓷構件3D 打印發展重點

打印設備、打印材料和打印工藝(含后處理工藝)是陶瓷3D 打印的三大基石。面向新一代大尺寸、高性能透波陶瓷構件的精密打印需求,需要從三個方面開展重點研究。

3.1 大尺寸陶瓷構件3D打印設備研制

陶瓷天線罩尺寸普遍較大,需要采用大尺寸的陶瓷打印設備,打印設備的工作行程需達到600 mm×600 mm×600 mm 以上。目前國外在陶瓷打印設備方面具有領先優勢,研制了多種類型的陶瓷打印設備,如法國3D Ceram、奧地利Lithoz等公司已經推出了多款光固化3D 打印設備。3D Ceram 公司在2018年推出的超大尺寸陶瓷3D 打印設備CERAMAKER3600,打印行程達到600 mm×600 mm×300 mm。該打印設備如圖9所示。

圖9 CERAMAKER3600陶瓷3D 打印設備

目前國內也擁有了一批陶瓷3D 打印設備的研發企業,如北京十維科技、浙江迅實科技、深圳長朗、蘇州中瑞科技、昆山博力邁等。基于FDM等常規工藝的大尺寸陶瓷打印設備已較為成熟。光固化工藝是實現陶瓷構件高質量打印的重要手段,但目前國內光固化設備的工作行程普遍在300 mm×300 mm×300 mm 以內,還難以滿足導彈天線罩的打印需求,因此迫切需要開展光固化大尺寸陶瓷3D 打印設備的研制工作。

3.2 高性能陶瓷3D打印材料制備

打印材料的綜合性能是影響打印質量的關鍵。目前國內在3D 打印材料方面已開展了大量的研究,但主要集中于氧化鋁(Al2O3)、氧化鋯(Zr O2)、硅酸鈣(CaSiO3)、碳化硅(SiC)等非透波陶瓷材料[28-30],對透波陶瓷材料的研究較少。陸春等[31]研究了光固化3D 打印的氧化硅陶瓷,但燒結后的陶瓷構件抗彎強度較低。嚴鵬飛等[32]研究了光固化3D 打印的致密氮化硅陶瓷,但致密氮化硅陶瓷不能用于透波領域。翁作海等[33]研究了3D 打印的多孔氮化硅陶瓷,但該類陶瓷構件抗彎強度過低。透波陶瓷材料(多孔芯層除外)一般需滿足的主要參數如表2所示。針對透波陶瓷的打印要求,需要開展打印材料研究,形成性能穩定的材料體系和批量化制備能力。

表2 透波陶瓷材料需滿足的主要參數

3.3 大尺寸陶瓷構件3D打印工藝研究

陶瓷構件的3D 打印過程包含素坯打印、脫脂、燒結,任意環節控制不當都可能造成打印失敗,因此需要對打印工藝進行深入研究。

(1) 素坯打印工藝

大尺寸陶瓷構件的打印用時較長,以尺寸為φ200 mm×500 mm 的陶瓷構件為例,其連續打印時間在150 h以上。打印過程中一旦出現層間裂紋、氣孔、滑移等缺陷,就有可能導致構件報廢,因此打印過程的穩定控制非常重要。對于錐形結構的陶瓷天線罩來說,需通過工藝研究,解決素坯底面與打印平臺的牢固結合、打印截面尺寸大跨度條件下的打印參數優化調控、打印構件層間的結合強度等關鍵問題。

(2) 脫脂工藝

3D 打印的陶瓷素坯中含有大量的有機黏結劑等成份,需要通過脫脂工藝進行去除。脫脂工藝包括溶劑脫脂、熱解脫脂等過程。熱解脫脂是脫脂過程中最為關鍵的環節,升溫速率、脫脂溫度及氣氛條件是熱解脫脂過程的重要參數。脫脂速度過快可能使素坯產生變形、開裂等缺陷,速度過慢則會使脫脂時間過長。因此,必須結合素坯中添加的有機物的具體成份,研究及制定優化的脫脂工藝[34]。

(3) 燒結工藝

脫脂后的陶瓷素坯強度非常低,必須通過高溫燒結實現陶瓷素坯的晶界移動、氣孔排除,使坯體收縮,成為具有一定強度的致密的瓷體。燒結是使坯體陶瓷化的重要工藝過程,是決定陶瓷構件最終性能的關鍵。燒結過程中坯體有顯著的收縮現象,如果燒結工藝控制不當,陶瓷構件容易出現開裂、變形、強度低等缺陷。燒結過程中的關鍵控制點包括坯體的裝夾、升溫速率、燒結溫度、保溫時間等,需要對燒結工藝進行深入研究,才能獲得高強度、無質量缺陷的燒結構件。

4 結論

高性能透波陶瓷在航空航天領域具有重要的應用價值。隨著技術的發展,現有的復雜外形透波陶瓷構件面臨著試制周期長、成型困難等難題。發展先進的陶瓷3D 打印技術,特別是SLA 和DLP打印技術,對于導彈天線罩等高性能陶瓷構件的設計、研制和生產具有積極的推動作用。

高性能透波陶瓷構件的3D 打印是一個系統工程,涉及大尺寸打印設備、打印材料和打印工藝等多個方面。目前高性能透波陶瓷構件的3D 打印還處于起步階段,迫切需要開展深入研究,攻克設備、材料、工藝等一系列關鍵技術。