粉末挤出3D打印工艺为碳化硅热交换器件制造提供新途径

| 3DScienceValley · 2024/04/12

碳化硅陶瓷是一种具有着高强度、高导热、耐酸碱腐蚀特性的材料，它在使用的过程中能够很好地适应外界的环境，被业内认为是最佳的防腐蚀换热材料。普通陶瓷材料在1200~1400℃时强度将显著下降，而碳化硅陶瓷在1400℃时抗弯强度仍保持在500~600MPa的较高水平，其工作温度可达1600~1700摄氏度，且不会被融化损伤，稳定性强；高导热性、超高温稳定性，结构性能稳定。碳化硅陶瓷在化工换热应用尤为突出。

▲碳化硅陶瓷换热管

碳化硅陶瓷换热器

碳化硅陶瓷具有着全面的抗氧化的能力以及抗腐蚀的能力，是公认的化工防腐领域“梦想型”换热材料，同时还具备了较高的绝缘性能。相比传统的石墨、氟塑料、贵金属、搪玻璃等换热材料，其换热效率和使用寿命等具有明显的竞争优势，特别是在一些复合强酸环境下，其超强的抗腐蚀能力更是具有不可替代性，对促进相关领域的装备和工艺提升发挥着越来越重要的作用。

碳化硅陶瓷换热器主要有以下优点：

碳化硅陶瓷换热器的使用方法直接、简单、快捷、高效、环保、节能。不需掺冷风及高温保护，维修成本低，无需对其进行任何操作。适用于各种环境的燃气工业窑炉的余热回收利用，尤其解决了各种高温工业窑炉余热温度过高无法利用的难题；
国家要求陶瓷换热器温度≥1000℃，由于它耐高温，所以就可以放在高温区域，温度越高，换热效果越好，节能越多；
高温情况下可替代金属换热器；
解决化工行业热交换、耐腐蚀的难题；
适应性强、耐高温、抗腐蚀、高温强度高、抗氧化性能好、热震性能稳定、使用寿命长。

新工艺的应用，势在必行

随着国家更多节能减排政策的出台，以及化工、冶金等工业的加速升级发展。传统陶瓷的成型工艺已经很难满足新工艺、新产品、新市场的应用趋势。传统陶瓷成型工艺都需要借助模具才能制备出具有一定形状和强度的陶瓷制品，流程耗时长、成本高。而相比于传统的成型技术，3D打印陶瓷技术具有智能、无模、精密、高复杂度的制造能力，它能够完成传统工艺不可能完成的制造。

▲传统陶瓷成型与3D打印成型工艺特性对比

碳化硅陶瓷制备同时也是特种陶瓷3D打印技术的一个重要挑战。因为碳化硅陶瓷材料在成型过程中会出现缺陷，比如气孔、裂纹、不均一性等，成型陶瓷器件难以抵抗脆性断裂，极大地限制了其机械性能。而复杂几何形状的碳化硅陶瓷构件往往难以用传统的加工技术制造，这在很大程度上制约了复杂结构碳化硅陶瓷的应用。

新途径—粉末挤出3D打印

从碳化硅陶瓷的素坯成型工艺入手，并结合适宜的烧结工艺，使烧成的碳化硅陶瓷毛坯达到近净成型，以减少后续加工量，并保证产品性能满足使用要求，这将成为复杂结构碳化硅陶瓷制备工艺的主要研究方向。升华三维通过自创的粉末挤出打印技术（PEP）结合反应烧结工艺，已实现了碳化硅热交换板/块等的无模一体化制造。这为实现碳化硅陶瓷热交换部件的近尺寸、轻量化、一体化制备提供了新途径。

▲3D打印碳化硅热交换板/块（来源：升华三维）

PEP技术是由升华三维推出的“3D打印+粉末冶金”相结合的金属／陶瓷间接3D打印工艺，具有低温成型，高温成性的特性。该工艺合理避开了以激光为能量源的3D打印，采用颗粒熔融挤出成型方式，其挤压喷头系统构造原理和操作简单，更好地缩减了投入成本。通过先打印生坯，然后再经过成熟的粉末冶金脱脂和烧结工艺，得到结构性能优良的碳化硅结构件。

在碳化硅热管理器件的制备上，升华三维利用PEP技术的优势，基于自主研发的碳化碳颗粒材料UPGM-SiC，采用3D打印方式实现了碳化硅热交换器结构件的轻量化、一体化设计成型，打印出具有一定强度和密度的生坯。再结合陶瓷注射成型的脱脂及反应烧结工艺，得到了机械性能稳定、近净尺寸的构件。其重量实现了大幅度降低、使用过程中不变形、燃气的消耗量减小、使用寿命延长等。此外PEP打印工艺可以更合理地优化热交换器结构，从而解决其常见的热补偿和气体密封问题。可显著提高节能效果，进一步提高生产能力。

▲反应烧结碳化硅陶瓷性能参数（来源：升华三维）

碳化硅热交换部件，具有高强度、耐高温、高导热和全面的耐酸碱腐蚀特性，可以作为石墨、不锈钢、金属钽、哈氏合金、氟塑料和其他传统材料的绝佳替代品，其优良的热交换效率可满足节能减排和环保的迫切需求。是化工、医药、冶金等行业中高温、高压、强腐蚀、高磨损极端环境换热应用的最佳选择和必然趋势。

升华三维作为中国金属·陶瓷间接3D打印技术的开拓者和领航者，现已具备了碳化硅陶瓷复杂结构部件制备能力，并朝着更多应用领域积极探索。公司已建成具有自主知识产权的陶瓷3D打印前后处理工艺流程，涵盖了材料开发、打印材料密炼造粒机、3D打印机、脱脂烧结炉等全工艺链设备，面向应用市场提供高性能间接3D打印整体解决方案及打印服务。