Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Отрицательный аддитивного производства сложных фасонных Карбиды бора

8.3K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/58438

⸱

18 сентября 2018 г.

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Lawrence Livermore National Laboratory

В этой статье

Краткое содержание

Метод, называемый отрицательный аддитивного производства используется для производства вблизи полностью плотной сложной формы из карбида бора частей различных длина шкалы. Этот метод возможен через разработку Роман подвеска с участием резорцин формальдегидная как уникальный желатинизирующий агент, который оставляет позади однородных углерода спекания помощи после пиролиза.

Аннотация

Карбид бора (B4C) является одним из трудных материалов в существовании. Однако этот привлекательный отель также ограничивает его machineability в сложные формы для высокую износостойкость, высокая твердость и легкий материал приложений, таких как броня. Для преодоления этой проблемы, негативные аддитивного производства (AM) используется для производства сложных геометрий Карбиды бора в различных масштабах длины. Отрицательный AM впервые включает в себя gelcasting подвеска в 3D-печатных пластиковых плесень. Плесень затем растворяется прочь, оставляя позади зеленое тело как копия отрицательные. Смолы резорцин формальдегидные (RF) используется как Роман желеобразователь, потому что в отличие от традиционных гидрогели, есть практически нет усадки, которая позволяет чрезвычайно сложной формы для использования. Кроме того этот желатинизирующий агент может быть pyrolyzed оставить позади ~ 50 wt % углерода, который является весьма эффективным спекания помощи B4C. из-за этого очень равномерное распределение в situ углерода в рамках матрицы B4C, менее 2% пористости может быть достигнуто после спекания. Этот протокол подробно освещаются методологии для создания вблизи части полностью плотной карбид бора с весьма сложной геометрией.

Введение

Карбид бора (B4C), с Vickers твердость около 38 ГПД, известен как третий наиболее коммерчески доступных материалов, за алмаз (~ 115 ГПД) и кубического нитрида бора (~ 48 ГПД). Это особое свойство, наряду с низкой плотностью (2.52 g/см3), делает его привлекательным для приложений обороны например доспехов1. B4C также имеет высокую температуру плавления, превосходной износостойкостью и высокой нейтронного поглощения крест раздел2,3,4. Однако использование этих благоприятных механических свойств обычно требует B4C для спекания до высокой плотности. Горячее Прессование является традиционным методом для спекания B4C к полной уплотнения. Эта техника часто ограничивается простых геометрий с ограниченной кривизны и довольно равномерное толщины. Дорогостоящей и трудоемкой обработки с Поликристаллический алмаз инструмента или лазерной резки требуется ввести тонкой или более сложные функции.

В качестве альтернативы коллоидное формирования методы с давлением менее спекания может производить почти полной плотности частей, которые требуют минимальной без обработки. Из-за отсутствия внешнего давления во время консолидации спекания СПИДа обычно добавляются к керамической среднего для повышения эффективности электромагнитную спекания. Углерода обычно используется как спекания помощи для B-4C-5,-6,-7. Могут использоваться различные источники углерода, например наночастиц порошков или обугленный organics от пиролиза. Однородное распределение углерода, спекание помощи вдоль границ зерна является важным фактором для получения единообразных спекания B4C. Таким образом концентрация углерода и размер частиц4C B также являются важными и взаимосвязанными факторами для спекания частей для высокой плотности8.

Одним из наиболее перспективных коллоидных формирования методы для получения сложных фасонных керамических деталей является gelcasting. Этот метод включает в себя приведение керамическая подвеска с органических мономера в форму, которая polymerizes в situ действовать как гель9,10,11. Геля служит связыватель сформировать зеленое тело в форме плесень, что достаточно сильны, чтобы быть обработаны без обрыва в следующие этапы обработки. Ранее невозможным 3D формы геометрии теперь могут производиться через лоу кост на полимерной основе Аддитивные производства (AM) методы, такие как стереолитографии (SLA) и плавленый осаждения моделирования (FDM)12. Последние наличие 3D принтеры открыла новые возможности для проектирования керамики с весьма сложной геометрией.

Отрицательный аддитивного производства — это метод, который сочетает в себе gelcasting с жертвенным 3D-печатные формы. Сложность керамические части напрямую связана с сложности формы дизайна. Форма конструкции теперь может быть невероятно сложные с появлением пластиковых 3D принтеры высокого разрешения. Например трёхмерного сканирования инструментов может использоваться для захвата индивидуума контуры и включены в формы. С помощью отрицательных утра, могут создаваться легкий керамическая броня, с учетом размера тела и формы личности. Такой дизайн настроек может предоставить легкие доспехи вес повышения мобильности для пользователей.

Другие общие керамические AM методы, такие как прямые чернила написать (DIW), селективного лазерного спекания (SLS) и вяжущего, струйная (BJ), также эффективны в производстве сложных фасонных керамических деталей. Однако большинство из этих методов только полезны для производства тонкой пористой структуры и не являются эффективными при масштабировании до больших частей, таких как броня приложения13,14,,1516, 17. Кроме того, большинство из этих методов не возможны для высоких объемов производства из-за высоких затрат. Таким образом негативные AM является предпочтительным и относительно недорогой маршрут для промышленного производства крупных деталей.

B4C суспензий, используемых для gelcasting должна быть низкой вязкости и содержат желеобразователь и спекания помощи. Резорцин и формальдегида выбраны за их способность пройти реакции поликонденсации сформировать сеть резорцин формальдегидные (RF), которая помогает связать4C частицы B вместе. Традиционные гидрогели, используемые для gelcasting ограничены прессформы с полой ядер благодаря высокой внутренней усадка, опытный во время сушки процесса18. Так как RF обычно используется как аэрогель, есть практически нет усадки, которая позволяет использовать более сложной формы плесени. Еще одно преимущество использования РФ является, что уровень гелеобразования может контролироваться путем изменения рН суспензии (рис. 3). Кроме того суспензии, содержащие резорцин или формальдегида могут готовиться в передовых и хранятся отдельно, пока они не готовы для литья. Самое главное гель РФ может быть pyrolyzed оставить позади 50 wt % углерода19. Это очень равномерное распределение углерода может помочь уплотнение B4C к почти полной плотности при спекании. 15 wt % РФ относительно карбид бора используется в разработке подвески для предоставления 7,5 wt % углерода после пиролиза литых деталей.

Общая цель этой работы заключается в том, сочетать традиционные gelcasting методы с недорогой 3D возможности печати и уникальный желеобразователь получить почти полной плотности частей карбид бора с весьма сложной геометрией. Кроме керамики отрицательные AM может применяться для других материальных полей для создания совершенно новой геометрии мульти материальных систем. Методике, описанной здесь расширяется на работы, представленные в Lu et al. 8 и направлен на обеспечение более подробный протокол для воспроизведения этих результатов.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

Предупреждение: Пожалуйста проконсультироваться с листы данных безопасности (ИКБ) всех материалов и носить надлежащего защитного оборудования (СИЗ) при обработке материалов до литья и лечить. Резорцин и полиэтилена Имин известны как токсичные. Формальдегид является токсичных и канцерогенных20. Подготовка керамики суспензий должно быть сделано в химических вытяжных или других правильно вентилируемом рабочих средах.

1. негативные Аддитивные производства

  1. Подготовка 120 мл суспензии двух частей
    Примечание: Двух частей подвески будет готов помочь продлить срок годности суспензии до литья. Один подвеска (R-mix) будет содержать компонент резорцин, и другие (F-микс) будет содержать компонент формальдегида. Обе суспензий будут смешаны вместе сформировать окончательный подвеска, которая будет инициировать процесс гелеобразование.
    1. Чтобы создать R-mix, начните путем растворения 0,88 г Имин полиэтилена (PEI) в 25.00 g воды с помощью планетарные смесители.
    2. Чтобы создать отдельный F-микс, растворяют 0,88 г Имин полиэтилена (PEI) в 16.83 g воды с помощью планетарные смесители.
      Примечание: Использование планетарный смеситель при 2000 об/мин для по крайней мере несколько минут обеспечит достаточные сдвига силы помочь распустить вязкой PEI, резорцин и формальдегид и приостановить частиц из карбида бора. PEI служит диспергатор для частицы B4C
    3. Растворяются 12,60 гр порошка резорцин в R-mix. Решение следует обратиться прозрачный раствор от облачно белая после полного растворения порошка от смешивания.
    4. Добавление F-микс 17,03 г раствора формальдегида и обеспечить полное смешивание.
    5. Постепенно добавьте 5,25 g (12 шагом до достижения 63.00 г) порошка из карбида бора (1500F) в F-микс, так и R-mix отдельно.
    6. Добавьте 6,50 g уксусной кислоты в R-mix и F-микс и обеспечить полное смешивание в каждом.
      Примечание: на данный момент, двух частей подвески будет иметь 42 vol % B4C и готовы быть объединены для литья или хранить для будущего использования (если должным образом опечатаны). Помните, что если суспензий сидеть на ~ 1 час или более, частица урегулирования будет происходить. Убедитесь, что частицы являются высокомобильна применяя тщательную агитации перед использованием суспензий. Кроме того три различных коммерческих партий Карбиды бора, 1250F, 1500F и 3000F (названный согласно их приблизительное фильтруют сетки размерами), первоначально были протестированы. Каждый пакет имеет разные гранулометрический состав, и пакете4C B 1500F был найден для достижения высоких спекания плотность, как сообщалось в Lu et al. 8. уксусной кислоты также могут быть добавлены до загрузки шаг также твердые4C B, но добавление в конце предлагает лучшую легкость обработки, ограничивая запах уксусной кислоты.
  2. Подготовка 3D печатных форм для литья
    1. Подготовка формы дизайна программы автоматизированного проектирования (CAD).
    2. Печать формы с помощью моделирования плавленый осаждения (FDM) 3D-принтер с Акрилонитрил бутадиен стирола (ABS) нитями.
      Примечание: Ацетон паров может использоваться для сглаживания плесень текстуры, при желании21. Предлагаемые сопла и кровати температуры являются 240 ° C и 110 ° C, соответственно. Такие параметры, как толщина слоя (0,2 мм), скорость экструзии и скорость охлаждения выбираются для оптимизации качества части с минимальной деформации. Это требует некоторых проб и ошибок с каждой системой уникальный принтера. Рекомендуется иметь толщину не менее 1 мм. Минимальным размером является 0,5 мм; Однако предложено не опускается ниже 1 мм. формы от Лу и др. 8 доступны для скачивания онлайн в пояснительные материалы.
  3. Сочетание двух частей подвески подготовить для литья
    1. До объединения, тщательно агитировать (с помощью вихревого или планетарный смеситель) R-микс с F-микс суспензий индивидуально для обеспечения B4C частицы хорошо приостановлено.
    2. Совместить R-mix и F-микс для получения окончательного подвеска.
      Примечание: pH Комбинированная подвеска должна быть 2.8, который будет обеспечивать около 30 минут рабочего времени для исключения из воздуха и бросили окончательное приостановление начала происходит гелеобразование. Начала гелеобразования можно наблюдать от резкого увеличения вязкости суспензии.
    3. Перед заливкой, смешайте и нанесите вакуума (20-200 мм.рт.ст или 2.7-27 кПа) в окончательном подвеска смесь для около 10 минут, чтобы удалить пузырьки воздуха без кипячения воды. Это достигается с помощью перемешивания пластины на 200-300 об/мин с вакуумной банку.
  4. Gelcasting
    1. Сразу же влить де эфире подвеска в 3D-печатные формы.
    2. Место формы внутри закрытой стеклянной посуде для предотвращения потери влаги во время процесса сушки.
    3. Место запломбированном контейнере с формы в 60-80 ° C духовке, чтобы инициировать процесс вулканизации.
    4. Разрешить отливок для лечения по крайней мере 8 часов для частей, которые являются несколько сантиметров в длину шкалы или возможно больше для более крупных пресс-форм.
  5. Растворение формы для получения зеленого органы
    1. Удаление запломбированном контейнере с формы из духовки и дайте ему остыть до комнатной температуры.
    2. Добавьте достаточно ацетона в контейнер до тех пор, пока полностью submersed плесень. Сумма будет варьироваться в зависимости от размер и объем используемых плесень (обычно ~ 100 мл ацетона для плесени, что 50 см3 в измерении).
      Примечание: Этот процесс может занять до 2-4 дней в зависимости от объема пластика, который должен быть распущен прочь. Минимальная агитации Ванна ацетон или нагревая его слегка до 40 ° C может помочь ускорить этот процесс. Выполнение осторожность при нагревании ацетон Ванна, как это легковоспламеняющиеся химических и могут стать взрывоопасным в сочетании с воздухом в определенных диапазонах композиции.
    3. Извлечь бесплатно зеленое тело из ацетона ванна после ABS-пластика растворяется прочь.
      Примечание: После того, как вылечить РФ, плесень может быть распущен прочь для получения твердого тела зеленой форме как копия негативные внутренние формы геометрии. Это зеленое тело должно быть достаточно сильны, чтобы выжить, нежная и щадящая обработка в последующих шагов постобработки без ломки.
    4. Место зеленый органы в духовке при температуре 80 ° C для обеспечения полного высыхания и удаление всех влаги.
      Примечание: Время сушки варьируется в зависимости от объема зеленый тела. Оставив часть для высыхания на ночь (> 8 часов) является достаточным для размеров зеленый тела меньше, чем 1000 см3. Нет никакого вреда в чрезмерного высыхания.

2. цементация

  1. После высыхания, место каждого зеленое тело в 2-дюймовый кварцевая трубка, выстроились с графит фольгой и поместите их в печи с проточной газ [250 стандартный кубический сантиметр воздуха (SCCM) состоящий из 4 wt % H2(g) и 96 wt % Ar(g) для создания сокращение атмосферу во время Пиролиз лечение].
  2. Тепла зеленый органы внутри печи на 5 ° C/мин до 1050 ° C и удерживайте в течение 3 часов.
    Примечание: Гель литой зеленый органы будут иметь 15 wt % РФ относительно B4C и будет обеспечивать около 7,5 wt % углерода после процесса пиролиза. Этот процесс удаляет большую часть резорцин формальдегидная остатков и сильно загрязняют печь, если используется не ловушка.
  3. Убедитесь, что зеленый органы выходят равномерно темне в цвете, указывающих на наличие углерода от лечения пиролиза.

3. спекания

Примечание: После спекания, шероховатость поверхности образцов улучшится незначительно по сравнению с шероховатость поверхности формы, используемые. Это является следствием 57-58 vol % усадки образцов от спекания.

  1. Место обугленный частей в графит печи с вакуумной засыпана течет гелия (420 SCCM) для спекания. Примените 280 SCCM на фронт и пирометр Windows и 140 SCCM непосредственно в камеру образец с давлением на входе ~ 170 кПа.
  2. Нагревают в печи до 2290 ° C (20 K/мин до 2000 ° C затем 3 K/мин до 2290 ° C) и удерживайте в течение 1 часа, чтобы достичь оптимального уплотнения частей.
    Примечание: Архимед плотность является общей и быстрый метод для измерения плотности частей спеченный карбид бора. Архимед плотность комплекты могут быть добавлены на весы аналитические весы для измерения плотности образцов или вручную определены22. Карбид бора с 7,5 wt % углерода будет иметь теоретической максимальной плотности (ТВД) 2.49 г/см3. Частей, спеченных при 2290 ° C от этой методологии приведет к 2,43 ± 0,01 г/см3 97.6 ± 0,4% ПРО ТВД.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

После изложил процедуры (рис. 1) может спеченные детали сложной формы из карбида бора с углерода (C/C4B) до 97,6 ± 0,4% теоретической плотности Макс твердостью Белогурова 23.0 ± 1,8 гПа8. Демонстрируются несколько возможных примеров спеченные B4C/C частей (рис. 2). Эти примеры показывают тонкой текстурные функций, которые могут быть скопированы методом gelcasting. Это выгодно для созд...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Методология негативных аддитивного производства, указанных в протоколе позволяет сложные фасонные из карбида бора части производится на почти полную плотность после спекания при оптимальной температуре 2290 ° C. Первые несколько шагов, связанных с подготовкой и литья являются наиболее важными для создания высококачественной литой с минимальными дефектами. При слишком высокой вязкости суспензии, плохого смешивания будет происходить. Пористость спеченных часть также пострадавших, поскольку препятствует увеличению вязкости ...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторы не имеют ничего сообщать.

Благодарности

Эта работа была выполнена под эгидой министерства энергетики США Ливерморской национальной лаборатории по контракту де-AC52-07NA27344. IM-релиз LLNL-JRNL-750634.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Порошок карбида бора 1250FТетрабор КерамикаЛот 211M419>96% чистоты
Порошок карбида бора 1500FТетрабор КерамикаЛот 209M102/9>96% чистоты
Порошок карбида бора 3000FТетрабор КерамикаЛот 111m53/9 Чистота >96%
Полиэтилен имин (ПЭИ)Сигма ОлдричMKBP3417Vсредняя МВт ~25,000 по L.S. 
РезорцинSigma AldrichMKBG6751VBioXtra, ≥ 99%
ФормальдегидFisher ScientificF79-137% по весу; Стабилизирован 10-15% метанола
уксусной кислотыSigma AldrichSKU 695092Glacial ≥ 99,7%
АцетонСигма ОлдричАртикул 179124ACS Реагент класса ≥ 99,5%
ВодаLLNL Собственный (Milli-Q)
Планетарный миксерThinkyAR-250подходит для контейнеров объемом 150 мл и 300 мл Thinky
Акрилонитрилбутадиенстирол (ABS) пластиковая нитьeSUNНатуральный цвет
Taz 6 (3D-принтер)LulzbotFDM 3D-принтер
4% H2/96%Ar газвоздухUHP4% водород, сбалансированный аргон
гелий газвоздухгаз UHPгелиевый
нагреватель печьNeytechVulcan 9493308печь на 80 градусов;
Кварцевая трубчатая печьC Applied Test Systems, Inc. LEA 05-000075Печь для 1050 градусов C Карбонизация
Графитовая печьТермические технологии ОООСпекательная печь
Сканирующий электронный микроскоп (SEM)JeolJSM-7401F
pH-метрThermoScientific Orion 4 Starоткалиброван с использованием буферных стандартов
РеометрTA InstrumentAR2000exДля измерения вязкости
Рентгеновский дифрактометр (XRD)BrukerAX D8 Усовершенствованные
аналитические весыMettler ToledoXS104
Bruker EVA Программное обеспечение для анализа XRD
для отверждения

Ссылки

  1. An, Q. Prediction of superstrong τ -boron carbide phase from quantum mechanics. Physical Review B. 95 (10), 100101(2017).
  2. Thévenot, F. Boron carbide - A comprehensive review. Journal of the European Ceramic Society. 6, 205-225 (1990).
  3. Lee, H., Speyer, R. F. Pressureless sintering of boron carbide. Journal of the American Ceramic Society. 86, 1468-1473 (2003).
  4. Deng, J. X. Erosion wear of boron carbide ceramic nozzles by abrasive air-jets. Materials Science and Engineering: A. 408, 227-233 (2005).
  5. Schwetz, K. A., Grellner, W. The influence of carbon on the microstructure and mechanical properties of sintered boron-carbide. Journal of Less-Common Metals. 82, 37-47 (1981).
  6. Elektroschmelzwerk Kempten Gmbh. Process for the production of dense sintered shaped articles of polycrystalline boron carbide by pressureless sintering. US. , 4195066 (1980).
  7. Suzuki, H., Hase, T., Maruyama, T. Effect of carbon on sintering of boron carbide. Journal of the Ceramic Association, Japan. 87, 430-433 (1979).
  8. Lu, R., et al. Complex shaped boron carbides from negative additive manufacturing. Materials & Design. 148, 8-16 (2018).
  9. Omatete, O. O., Janney, M. A., Nunn, S. D. Gelcasting: From laboratory development toward industrial production. Journal of the European Ceramic Society. 17, 407-413 (1997).
  10. Yang, J., Yu, J., Huang, Y. Recent developments in gelcasting of ceramics. Journal of the European Ceramic Society. 31, 2569-2591 (2011).
  11. Gilissen, R., Erauw, J. P., Smolders, A., Vanswijgenhoven, E., Luyten, J. Gelcasting a near net shape technique. Materials & Design. 21, 251-257 (2000).
  12. Travitzky, N., et al. Additive manufacturing of ceramic-based materials. Advanced Engineering Materials. 16, 729-754 (2014).
  13. Zocca, A., Colombo, P., Gomes, C. M., Gunster, J. Additive Manufacturing of Ceramics: Issues, Potentialities, and Opportunities. Journal of the American Ceramic Society. 98, 1983-2001 (2015).
  14. Deckers, J., Vleugels, J., Kruthl, J. P. Additive Manufacturing of Ceramics: A Review. Journal of Ceramic Science and Technology. 5, 245-260 (2014).
  15. Costakis, W. J., Rueschhoff, L. M., Diaz-Cano, A. I., Youngblood, J. P., Trice, R. W. Additive manufacturing of boron carbide via continuous filament direct ink writing of aqueous ceramic suspensions. Journal of the European Ceramic Society. 36, 3249-3256 (2016).
  16. Colombo, P., Schmidt, J., Franchin, G., Zocca, A., Gunster, J. Additive manufacturing techniques for fabricating complex ceramic components from preceramic polymers. American Ceramic Society Bulletin. 96, 16-23 (2017).
  17. Olsson, A., Hellsing, M. S., Rennie, A. R. New possibilities using additive manufacturing with materials that are difficult to process and with complex structures. Physica Scripta. 92, 053002(2017).
  18. Dhara, S., Kamboj, R. K., Pradhan, M., Bhargava, P. Shape forming of ceramics via gelcasting of aqueous particulate slurries. Bulletin of Materials Science. 25, 565-568 (2002).
  19. Lewicki, J. P., Fox, C. A., Worsley, M. A. On the synthesis and structure of resorcinol-formaldehyde polymeric networks - Precursors to 3D-carbon macroassemblies. Polymer. 69, 45-51 (2015).
  20. Swenberg, J. A., et al. Formaldehyde Carcinogenicity Research: 30 Years and Counting for Mode of Action, Epidemiology, and Cancer Risk Assessment. Toxicologic Pathology. 41, 181-189 (2013).
  21. Kuo, C. C., Chen, C. M., Chang, S. X. Polishing mechanism for ABS parts fabricated by additive manufacturing. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 91, 1473-1479 (2017).
  22. Kires, M. Archimedes' principle in action. Physics Education. 42, 484-487 (2007).
  23. Zheng, X., et al. Design and optimization of a light-emitting diode projection micro-stereolithography three-dimensional manufacturing system. Review of Scientific Instruments. 83, 125001(2012).
  24. Franchin, G., Colombo, P. Porous Geopolymer Components through Inverse Replica of 3D Printed Sacrificial Templates. Journal of Ceramic Science and Technology. 6, 105-111 (2015).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

3D
Отрицательный аддитивного производства сложных фасонных Карбиды бора
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.