氧化铝陶瓷的等静压成形和3D打印成形*

王 萌 和娇娇 罗 娟 杨科伟

(咸阳陶瓷研究设计院有限公司 陕西 咸阳 712000)

前言

以无机氧化铝(Al2O3)为主要成分的氧化铝陶瓷称为特种陶瓷。它是无机氧化物的非金属材料之一，具有特殊的用途及性能，也被称为特种氧化物陶瓷、 高性能氧化陶瓷[1]。

氧化铝陶瓷是所有氧化物陶瓷中目前应用最广、用途最宽、产销量最大的氧化物陶瓷材料。它也是一种采用高度精选的氧化铝为原料，按照特殊的陶瓷制造方法和工艺进行生产，能精确地控制其化学组成和具有优异性能的氧化物陶瓷[2]。目前，氧化铝陶瓷主要广泛应用在高新技术和尖端的工业，如微电子、核反应堆、航天、磁流体风力发电、人工骨和人工关节等制造技术方面。

1 等静压成形

等静压成形的方法是将一个待压的试样均匀地放置于一个高压容器中，利用试样对于液体介质的不可连续压缩的力学性质和均匀传递压力的性质，从各个方向对试样进行均匀加压。 当一个液体介质通过一个压力泵将试样注入一个压力容器时，根据传统流体力学的原理，其承受的压强大小可以保持不变且均匀地传递到试样的各压力方向[3]。此时高压容器中的粉料在各压力方向上所承受到的压力大小是均匀的。通过上述的方法可以使瘠性较好的粉料均匀静压形成致密坯体的这种方法称为等静压法。

1.1 等静压成形工艺

初期粉体成形过程压力较小时，粉体颗粒出现迁移和重堆积；然后随着压力的提高，粉体颗粒出现局部的流动和碎化；最后到成形压力最大时，粉体颗粒体积大幅度压缩，排出大量气孔，达到致密化的阶段。

1.2 等静压成形种类

湿式等静压。将预压好的坯料包封在弹性的塑料或橡胶模具内，密封后放入高压缸内，通过液体传递使坯体受压成形。

干式等弹性静压。将塑料坯体密封，采用干式弹性静压塑料模具半固定无需浸泡在惰性液体或热介质中，通过上下的活塞运动进行静压密封成形。

等静压成形也可以分为冷等静压和热等静压等，冷等静压法就是在常温下对液压工件整体进行高压加工成形的等静力液压法[4]。热等静压是在高温高压下对烧结工件整体进行等静压成形的一种方法。

1.3 等静压成形优点

耐磨损——同等条件下，比普通成形材料耐磨10倍左右；

耐腐蚀——内衬整体陶瓷可抵抗较强酸碱腐蚀；

致密性——坯体受力均匀，密度分布均一；

抗破碎颗粒和耐冲刷——材料可有效率地抵抗较大的破碎颗粒和对物料的强力冲刷而不破碎；

采用该成形方法所得坯体干燥时收缩均匀，不易开裂、分层，解决了模压成形中的不足。等静压成形可用于生产形状复杂、尺寸较大的制品。

1.4 等静压成形的缺点

坯体的尺寸精度和表面较粗糙，生坯形状不规则，需经机械加工最终成形，粉料浪费。工艺过程较干压成形复杂，生产效率低。由于等静压成形缺点的限制，在成形过程中往往出现生坯表面凹凸不平，局部掉豁，无法脱模等问题，从而导致废品率高，浪费过大，成本增加。

1.5 解决方法

1.5.1 模具的种类

传统夹布橡胶模具在成形过程存在失稳、老化开裂导致渗水等问题。而聚氨酯等静压模易脱模，压后模具不粘料，脱模容易，表面光滑，使用寿命长，模具耐油耐水，抗撕裂强度高，不易氧化，可以长期放置，具有回弹性好，抗疲劳，长期使用变形小等优势。

1.5.2 成形密度

由于成形坯体不同部位收缩率不同，导致坯体密度不均匀， 即使修坯消除了外形尺寸上的差异，但是其缺陷最终可能在烧成阶段显现，因此解决该问题需从根本上解决坯体密度不均匀的问题。为此在成形之前，首先要对造粒粉粒度有一定要求，粒度范围选取尽可能要小，球形颗粒占比高且流动性好的造粒粉，从而保证各部位收缩的一致性。其次要做严格的定量管控，特定模具要根据需求特定投量，从而保持宏观密度的一致性。

1.5.3 填料工艺

在大件产品成形过程中，要采用连续式投料方法，不能间断，同时模具底部的转动装置应保持一定的速度不变，从而通过控制投料速度和转动方向来确保模具内各部位投料密度保持一致，在成形后保证生坯的外观形状，减少浪费和损失。

1.5.4 给压方式

等静压设备给压方式分为连续持续给压和连续间歇给压，连续持续给压多用于体积大，高厚度的加工件，可以保证工件的外形完整性且工件密度均匀致密性好，从而减少分层现象出现；连续间歇给压多用于异型，外形不规则的工件，通过间歇给压能较好地满足外形要求。

1.5.5 润滑剂

对于易起层的工作件坯体在加工时，在模具内表面均匀喷涂润滑剂，有利于减少粉料与模具表面的摩擦力，可以改善坯体起层现象，方便脱模。

2 3D打印成形

3D打印(3D Printing)，属于快速成形技术的一种，它是以一种数字模型文件为基础，运用粉末金属或塑料等可粘合材料，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术。随着3D打印陶瓷技术的不断发展，已经逐步广泛应用在航天航空等各领域。3D陶瓷打印技术采用陶瓷材料，并且能够结合较为先进的陶瓷烧结加工技术，制备生产出各种高精度、高强度的陶瓷零件，相比于其他传统的陶瓷制备工艺会显著大大降低加工成本、缩短生产周期、节省原材料，其未来发展潜力巨大，从而获得了更广泛的发展和应用[5]。

2.1 3D打印技术分类

3D陶瓷打印技术主要有：喷墨打印技术、熔化沉积成形技术、激光固化成形技术、分层实体制造技术和激光选区烧结技术[6]。其中，激光成形的方法有光固化成形技术，分层实体制造技术和激光选区烧结技术，另外2种属于非激光成形方法。

2.2 3D打印中氧化铝粉体的选取

在打印成形过程中应采用喷雾造粒技术制备粒径在10～150 μm的氧化铝粉体，再通过激光选区烧结技术打印出具有良好力学性能的氧化铝打印物[7]，然后烧结，表现出氧化铝陶瓷材料相应的物理性质。

2.3 3D打印成形的优点

(1)在烧制工序前后的外形尺寸变化比较小，精度极高；

(2)无需前期的模具设计等工序，有效地简化了生产工序，缩短了制造的周期；

(3)堆积的方式进行增材制造，原材料利用率接近100%，极大程度降低了生产成本[8]。

2.4 3D打印氧化铝陶瓷的应用

(1)3D陶瓷打印采用氧化铝制成的陶瓷支架，可广泛用于临床医疗和外科方面的骨折和关节软组织损伤的修复。骨关节软组织损伤修复工程采用陶瓷支架的设计和制造，使陶瓷支架流体力学的强度和尺寸的精准度都得到了较大的提高，可广泛用于医疗和关节周围的骨折和软组织缺损的填充和修复，3D打印在临床医学和外科领域的广泛应用大大提高了医疗和外科关节修复治疗的安全性和效率，为多孔生物学界面的设计制造和应用提供了全新的技术解决方案。

(2)由3D打印零部件技术设计生产的航天航空设备零部件产品具有设计精度高、质量轻、结构规整、力学性能好等优势，制造生产出结构复杂的光打印零配件，并且可以直接用于航空设备的修复和装配，方便快捷。

(3)氧化铝陶瓷耐腐蚀、耐酸耐碱、耐高温、化学性质稳定，在化工应用方面也有广泛的应用。3D打印的氧化铝陶瓷能够制作耐腐蚀的精密阀门、特殊催化精密零件等。

(4)3D打印氧化铝陶瓷耐磨、硬度高，具有光泽性，在珠宝首饰及工艺品领域有着广泛的应用[9]。

3 结语

氧化铝陶瓷产品可以根据其产品性能要求采用不同的成形方法。等静压成形主要适用于各种陶瓷生产，如氧化铝火花塞、瓷球、柱塞、真空管壳等陶瓷产品，同时也可应用于特种防弹材料的成形。3D打印成形可用于制备复杂且高性能的陶瓷零部件，减少了成形工艺流程，提高了生产率，在未来的发展中将会成为主流成形方法，可以在其他功能陶瓷性能提升等方面进行研究。