陳方杰 王 成 劉重發(fā) 劉 婧 康辰龍 張永鋒
(陸軍工程大學(xué)軍械士官學(xué)校,湖北 武漢 430075)
車輛裝備的底盤系統(tǒng)通常由動(dòng)力裝置、傳操裝置、行動(dòng)裝置和車體等組成,是實(shí)施機(jī)動(dòng)和防護(hù)的重要系統(tǒng),主要由金屬材料制造而成。隨著武器裝備科學(xué)技術(shù)水平的快速發(fā)展,戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)車輛裝備的性能提出了越來(lái)越嚴(yán)苛的要求,而金屬材料發(fā)展至今已很難在性能上取得革命性的突破,亟需一種新材料來(lái)適應(yīng)未來(lái)信息化戰(zhàn)場(chǎng)的需要[1]。與金屬材料相比,陶瓷材料具有低密度、耐高溫、高耐磨性、高強(qiáng)度等優(yōu)良特性,對(duì)減輕車輛裝備自身重量、提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率、延長(zhǎng)易損件壽命具有積極意義,能在一定程度上提高裝備的機(jī)動(dòng)性能、增強(qiáng)戰(zhàn)斗力,是最有發(fā)展前景的應(yīng)用材料之一[2]。但由于底盤系統(tǒng)各組成的結(jié)構(gòu)大多較為復(fù)雜,且陶瓷材料硬度高、脆性大,傳統(tǒng)方法制造難度較高,又限制了陶瓷材料的進(jìn)一步應(yīng)用。陶瓷3D打印技術(shù)始于20世紀(jì)90年代,它是指將3D打印技術(shù)引入到陶瓷制品的成型中,既充分利用陶瓷材料的優(yōu)異性能,又能發(fā)揮出3D打印技術(shù)不受復(fù)雜形狀限制的優(yōu)越性,有望在車輛裝備底盤系統(tǒng)的制造中取得廣泛的應(yīng)用。
陶瓷3D打印技術(shù)突破了傳統(tǒng)減材制造與等材制造的成型方法,利用層層疊加的思想,可直接生成陶瓷制品,而無(wú)需模具和其他輔助工具的參與,在快速制造高性能復(fù)雜形狀零部件方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)[3-5]。按照陶瓷原料形態(tài)的不同,陶瓷3D打印技術(shù)大體可分為4種:基于粉材的3D打印技術(shù)、基于液材的3D打印技術(shù)、基于絲材的3D打印技術(shù)和基于片材的3D打印技術(shù)[6-7]。
目前,用陶瓷粉體作為原料的3D打印技術(shù)通常有以下幾種,激光選區(qū)燒結(jié)(SLS)技術(shù)、激光選區(qū)熔化(SLM)技術(shù)和三維噴印(3DP)技術(shù)。
SLS的打印原理是在計(jì)算機(jī)的控制下,待成型粉末在激光束的作用下被選擇性地?zé)Y(jié)到一起,每掃描完一層,平臺(tái)便會(huì)下降一個(gè)層厚的高度,同時(shí)鋪上一層粉末,如此重復(fù),最終制得所需形狀的三維零件[8]。SLS成型設(shè)備的激光器功率較低,不足以直接燒結(jié)陶瓷原料,通常將低熔點(diǎn)高分子粘結(jié)劑與陶瓷粉末混合,利用粘結(jié)劑熔融后能夠較好地浸潤(rùn)陶瓷顆粒的特性,將分散的陶瓷粉體粘結(jié)成素坯,再經(jīng)過脫脂和高溫?zé)Y(jié)獲得致密化產(chǎn)品。
SLM的打印原理與SLS技術(shù)基本相同,不同之處在于SLM采用的是高功率激光,能夠直接燒結(jié)陶瓷原料,而不需要向原材料中添加粘結(jié)劑,也不需要其他的后處理工序來(lái)提高性能,大大縮短了制造周期。然而,由于陶瓷的抗熱沖擊性能較差,成型過程中產(chǎn)生的溫度梯度很容易使制件產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷,表面質(zhì)量和精度也不高[9]。
3DP最早是由Sachs等人應(yīng)用于陶瓷坯體的成型,它是將粘結(jié)劑噴涂到特定區(qū)域,固化后將粉末粘結(jié)起來(lái)。與前述兩種技術(shù)相比,3DP無(wú)需激光器,制造成本較低,但也存在成型精度不高、打印噴嘴容易堵塞等問題。
以上3種基于粉材的陶瓷3D打印技術(shù)具有共同的優(yōu)勢(shì):(1)制造原料廣泛。一般來(lái)講,熔融后能產(chǎn)生原子間粘結(jié)的材料都可用作SLS粘結(jié)劑,任何具備“膠水”屬性的材料都可用作3DP粘結(jié)劑,SLM則無(wú)需任何添加劑便能直接成型。(2)無(wú)需支撐結(jié)構(gòu),易于制造帶有內(nèi)腔的復(fù)雜結(jié)構(gòu)制品。但由于三者的成型均只是粉末之間的粘結(jié),因此制件表面相對(duì)粗糙。
工業(yè)生產(chǎn)的陶瓷原料通常為粉狀,用于陶瓷3D打印的液體漿料則是將陶瓷粉體與有機(jī)物液體混合制備而來(lái),主要應(yīng)用于立體光固化(SLA)技術(shù)、數(shù)字光處理(DLP)技術(shù)和漿料直寫成型(DIW)技術(shù)。
SLA是利用紫外光對(duì)特定區(qū)域的液態(tài)光敏樹脂進(jìn)行照射來(lái)實(shí)現(xiàn)固化,依次逐層掃描,最終形成三維零件。DLP技術(shù)是在SLA的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái),將原先點(diǎn)-線-面的固化方式優(yōu)化成一次性面成型,成型速度更快,精度更高[10]。用于SLA和DLP的陶瓷液材均是以光敏樹脂為載體,通過向其混入陶瓷粉體和少量的分散劑制備而成的陶瓷光敏漿料,因此具有一定毒性,不利于人體健康和環(huán)境保護(hù)。
DIW是一種無(wú)需紫外光或激光固化,也無(wú)需加熱,在室溫下便能制備零件的3D打印技術(shù)。它以高固相的陶瓷漿料為原料,在計(jì)算機(jī)的控制下將漿料擠出,反復(fù)的疊加增材,形成立體結(jié)構(gòu)[11]。但由于受到噴嘴尺寸的限制,成型精度還有待進(jìn)一步提高,可成型結(jié)構(gòu)也有待進(jìn)一步擴(kuò)充。
陶瓷絲材是指將陶瓷粉末與高分子粘結(jié)劑材料混合制作成絲狀,主要應(yīng)用于陶瓷熔融沉積(FDC)技術(shù)。其成型原理是:通過加熱器使低熔點(diǎn)的粘結(jié)劑熔融,再逐層打印,使陶瓷絲材粘結(jié)到一起獲得實(shí)體零件[12]。該技術(shù)雖然成型簡(jiǎn)單,但打印速度較慢,打印精度低,可打印尺寸和制件性能均受到很大限制。
使用陶瓷片材的3D打印技術(shù)主要是分層實(shí)體制造(LOM)技術(shù),它先通過流延技術(shù)將陶瓷粉末制備成片材,再利用激光束進(jìn)行逐層掃描和切割,層與層之間采用粘結(jié)劑或熱熔膠進(jìn)行粘結(jié)而成。由于采用面成型的方式,其打印效率較高,可成型大尺寸零件制品。但受到層間粘合效果的影響,LOM制品性能通常表現(xiàn)出各向異性。
對(duì)比上述4類、8種陶瓷3D打印技術(shù)可以看出,它們均能在不依賴模具的情況下制備復(fù)雜形狀的陶瓷制品,且在打印成本、打印精度、成型周期和成型性能等方面各具優(yōu)勢(shì),可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)品的需求來(lái)選擇合適的打印方式。
車輛裝備的底盤系統(tǒng)作為承擔(dān)機(jī)動(dòng)和防護(hù)的重要系統(tǒng),其性能直接影響著裝備戰(zhàn)斗力的發(fā)揮。陶瓷材料因具有低密度、耐高溫、高耐磨性、高強(qiáng)度等優(yōu)良特性,對(duì)提高車輛裝備的性能、適應(yīng)武器裝備快速發(fā)展的步伐具有重要意義。然而,傳統(tǒng)的陶瓷成型方法存在依賴模具、制造周期長(zhǎng)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)難以加工甚至無(wú)法加工等問題,嚴(yán)重阻礙了高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件的制造與應(yīng)用。下面將從陶瓷3D打印技術(shù)在車輛裝備底盤的整體化和關(guān)鍵零部件制造兩個(gè)方面的潛在應(yīng)用展開論述。
陶瓷材料的密度低、質(zhì)量小,如碳化硅的密度比鑄鐵小55%,也只比鋁稍大。將傳統(tǒng)金屬零件替換為陶瓷零件制造,能夠?qū)崿F(xiàn)車輛裝備的輕量化,有效提高靈活機(jī)動(dòng)性。有資料顯示,美軍在一項(xiàng)將絕熱機(jī)應(yīng)用于車輛裝備的研究中,研制成功了一款無(wú)冷卻式陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī),其體積和質(zhì)量減小21%,且與安裝有同功率的鋼質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)車輛相比,行駛速度也大大提高。另外,通過減少零件的裝配結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)整體化制造,可進(jìn)一步提高車輛裝備輕量化程度,提高工作效率,這也是零件設(shè)計(jì)和發(fā)展的重要趨勢(shì)[13]。陶瓷3D打印技術(shù)不受傳統(tǒng)制造工藝的限制,可直接根據(jù)設(shè)計(jì)模型,一體化快速制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷零件,在車輛裝備底盤的輕量化和整體化制造方面具有廣闊的應(yīng)用前景。但3D打印陶瓷坯體的機(jī)械性能通常較差,整體大尺寸零件制造過程中極容易產(chǎn)生缺陷,有必要對(duì)材料配方、成型工藝及后處理方法等進(jìn)行優(yōu)化。
2.1.1 3D打印坯體缺陷控制
根據(jù)3D打印技術(shù)的不同,剛剛加工結(jié)束的陶瓷坯體一般具有較高的溫度梯度或不穩(wěn)定的水分散失速率,再加上層層疊加的加工特征,易產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。如果成型工藝條件控制不當(dāng),陶瓷坯體,尤其是整體大尺寸坯體便會(huì)出現(xiàn)裂紋、翹曲、層間結(jié)合不良等缺陷。Goodridge R D選用不同粒度的陶瓷粉末進(jìn)行顆粒級(jí)配的SLS實(shí)驗(yàn),當(dāng)粉末配比為1∶1時(shí)試樣的強(qiáng)度最高,研究表明陶瓷材料性狀對(duì)成型質(zhì)量具有重要的影響[14]。除此之外,3D打印工藝參數(shù)的優(yōu)化也能在一定程度上抑制坯體的不良缺陷。Qiu Yudi采用SLM技術(shù)成型Al2O3時(shí)發(fā)現(xiàn),激光掃描速率過高或過低都會(huì)對(duì)坯體質(zhì)量產(chǎn)生不利的影響,最終優(yōu)化的掃描速率范圍為150~400 mm/s(CO2激光器)[15]。廣東工業(yè)大學(xué)伍尚華團(tuán)隊(duì)將PEG液體干燥法應(yīng)用于SLA坯體的干燥階段,成功制備出了無(wú)缺陷的氧化鋁陶瓷刀具[16]。
2.1.2 陶瓷零件燒結(jié)缺陷控制
陶瓷燒結(jié)過程會(huì)產(chǎn)生較大的收縮,也易產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力,再加上陶瓷材料固有的脆性大,使得整體大尺寸零件在燒結(jié)階段更容易產(chǎn)生裂紋、翹曲甚至坍塌的缺陷。降低燒結(jié)收縮的方法通常是對(duì)陶瓷坯體進(jìn)行增密處理以及向原料中加入合適的添加劑。陳鵬以SiC-Al2O3-Y2O3造粒粉為原料,利用冷等靜壓技術(shù)對(duì)SLS坯體進(jìn)行后處理,并結(jié)合液相燒結(jié)工藝在1 950 ℃下燒結(jié)2 h后制備出SiC陶瓷,其平均線性收縮率為14.53%[17],低于未經(jīng)冷等靜壓后處理的固相燒結(jié)SiC陶瓷的收縮率[18],在一定程度上降低了陶瓷燒結(jié)體產(chǎn)生不良缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。為了改善陶瓷脆性,通常是向基體材料中添加增強(qiáng)纖維,以使裂紋尖端區(qū)域高度集中的應(yīng)力得以部分消除,提高材料對(duì)裂紋擴(kuò)展的抗力,纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料往往具有更優(yōu)異的性能[19]。還有研究表明,對(duì)陶瓷材料特性進(jìn)行優(yōu)化不僅能夠降低燒結(jié)收縮率,還能實(shí)現(xiàn)致密燒結(jié)體的增強(qiáng)增韌。邢媛媛通過粗細(xì)粉體的顆粒級(jí)配,使得燒結(jié)收縮率顯著減少至14.5%,粗粉的加入也使陶瓷的斷裂模式由穿晶斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇┚?沿晶斷裂,斷裂韌性提升17.1%[20]。
當(dāng)前,研究學(xué)者們主要采用先部件后整機(jī)的方針,將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向幾類關(guān)鍵零部件的制造,旨在充分發(fā)揮陶瓷材料的優(yōu)良性能,盡早取得一定的應(yīng)用和突破。
2.2.1 高溫零部件制造
車輛裝備的發(fā)動(dòng)機(jī)是底盤系統(tǒng)的組成部分,也是整個(gè)車輛的“心臟”,為車輛的運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力。目前,車輛裝備所使用的燃?xì)廨啓C(jī)或柴油機(jī)還是以金屬材料為主,鋁合金的耐熱極限為350 ℃,鋼和鑄鐵的為450 ℃,最好的超級(jí)耐熱合金的耐溫極限也不超過1 093 ℃,限制了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用溫度,而且還要增設(shè)冷卻裝置進(jìn)行冷卻,使發(fā)動(dòng)機(jī)的組成結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜[21]。
陶瓷材料的耐高溫性能突出,用陶瓷來(lái)代替現(xiàn)行金屬材料制造發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件,有利于增大發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率、延長(zhǎng)行駛里程,提高車輛裝備的機(jī)動(dòng)性。國(guó)內(nèi)外均針對(duì)陶瓷材料在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用開展了廣泛的研究,其中應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)的零部件主要有:葉片、燃燒筒、套管等;應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)的零部件主要有:活塞、氣缸套、配氣機(jī)構(gòu)等。但由于上述零部件的形狀均相對(duì)復(fù)雜且陶瓷材料固有的脆性大,使得傳統(tǒng)方法制造存在成本高、可靠性低的問題。奧達(dá)利Lithoz公司基于DLP技術(shù)成功制造出了氮化硅葉輪零件,氮化硅陶瓷的耐溫性能較好,在1 400 ℃時(shí)強(qiáng)度仍高達(dá)700 MPa,能極大地提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度[12]。在國(guó)內(nèi),華中科技大學(xué)和武漢理工大學(xué)開展合作,對(duì)高溫零部件陶瓷3D打印的成型工藝進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究,他們使用碳化硅陶瓷粉末為原料,以酚醛樹脂作為粘接劑,利用SLS技術(shù),采用冷等靜壓和反應(yīng)燒結(jié)工藝對(duì)坯體進(jìn)行致密化處理,在對(duì)各工序條件進(jìn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)上,選用最佳的參數(shù)制備出了碳化硅葉片[22-23]。
2.2.2 耐磨零部件制造
軸承是一切旋轉(zhuǎn)機(jī)械的靈魂,在車輛裝備底盤系統(tǒng)的各組成中隨處可見。但普通鋼球軸承耐磨性差、抗壓強(qiáng)度不高,使得在極端環(huán)境下的使用壽命嚴(yán)重降低。以氮化硅為典型代表的陶瓷球軸承具有重量輕、極限轉(zhuǎn)速高、運(yùn)轉(zhuǎn)精度高等優(yōu)點(diǎn),從20世紀(jì)60年代開始便受到廣泛關(guān)注[24]。眾多實(shí)驗(yàn)研究也表明,氮化硅球軸承的疲勞可靠性要遠(yuǎn)高于鋼制軸承,因此采用氮化硅球作為滾動(dòng)體、合金鋼為套圈的混合陶瓷軸承逐漸開始得到一定應(yīng)用[25]。前裝甲兵工程學(xué)院將氮化硅球軸承應(yīng)用于某新型車輛裝備的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓器中,通過試驗(yàn)對(duì)比得出采用陶瓷球軸承后總效率提高了5%~8%,極限轉(zhuǎn)速達(dá)到120 000 r/min[26]。氮化硅陶瓷球的精密制備是制造氮化硅球軸承的關(guān)鍵,陶瓷3D打印技術(shù)具有的一次加工、近凈成型等特點(diǎn)為氮化硅陶瓷球的高性能、大規(guī)模生產(chǎn)提供了技術(shù)保障,其中SLA和DLP技術(shù)也更能滿足精密件制備的要求。
車輛裝備底盤的離合器和制動(dòng)器均是保證車輛正常工作的關(guān)鍵部件,其內(nèi)的摩擦片和制動(dòng)瓦片需要具有耐磨損、耐熱、抗氧化等優(yōu)良性能。而現(xiàn)階段摩擦片和制動(dòng)瓦片的材料主要為鑄鐵,且多通過鑄造成型制造,使得產(chǎn)品的密度大、性能低、缺陷多。碳纖維增強(qiáng)碳化硅(Cf/SiC)復(fù)合材料是一種纖維增強(qiáng)陶瓷基的高性能材料,與單相陶瓷相比具有更好的耐磨性和熱穩(wěn)定性,是制造摩擦片和制動(dòng)瓦片的潛在應(yīng)用材料。傅華等人采用SLS技術(shù)制備了Cf/SiC復(fù)合材料,通過探究材料制備和成型方法對(duì)性能的影響,對(duì)熱性能及摩擦磨損性能也進(jìn)行了深入研究,與傳統(tǒng)陶瓷加工方法相比,獲得的制品組織性能更加均勻,制造周期更短,實(shí)現(xiàn)了“材料-結(jié)構(gòu)-功能”的一體化[19]。
2.2.3 高強(qiáng)度零部件制造
車輛裝備的裝甲是抵御彈藥導(dǎo)彈攻擊,提升戰(zhàn)場(chǎng)生存力的重要保障。隨著反裝甲武器技術(shù)的快速發(fā)展,戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)裝甲防護(hù)材料的性能要求也越來(lái)越高。陶瓷材料的高強(qiáng)度、高硬度和低密度的優(yōu)異特性,使其成為國(guó)內(nèi)外致力研究的裝甲材料。相比于傳統(tǒng)的均質(zhì)鋼裝甲和各類特種防護(hù)裝甲,陶瓷裝甲的防護(hù)性能顯著提升。目前應(yīng)用于車輛裝備防護(hù)系統(tǒng)的陶瓷材料主要有Al2O3、SiC、TiB2、B4C和AlN。Jamese B對(duì)上述5種材料的陶瓷裝甲進(jìn)行了打靶測(cè)試,研究表明TiB2和B4C陶瓷的抗彈性能較好,但由于成本相對(duì)較高,因此其應(yīng)用遠(yuǎn)不及Al2O3和SiC陶瓷普遍[27]。Klosterman D A以SiC粉末、高分子粘結(jié)劑和其他添加劑為原材料,利用LOM技術(shù)成功制備了SiC防彈陶瓷坯體[28]。
陶瓷作為一種脆性材料,在遭受彈體沖擊時(shí)容易發(fā)生破碎,單獨(dú)應(yīng)用于裝甲結(jié)構(gòu)中很難達(dá)到滿意的防護(hù)效果,通常與其他材料復(fù)合使用[29]。復(fù)合裝甲是指由兩層以上不同性能的材料組成的非均質(zhì)裝甲。在此基礎(chǔ)上,又逐漸衍生出梯度裝甲和層狀仿生裝甲,裝甲的綜合防護(hù)性能均大大提高[30-31]。梯度裝甲要求材料的組成成分、顯微結(jié)構(gòu)等是連續(xù)變化的,使其抗彈性能及機(jī)械強(qiáng)度也是逐漸變化,從而增強(qiáng)裝甲防護(hù)裝置的可靠性;層狀仿生裝甲則是由硬質(zhì)層和軟質(zhì)層交替疊加而成,從而提高裝甲的斷裂韌性和吸能。陶瓷3D打印技術(shù)具有高度柔性和應(yīng)變能力的特點(diǎn),能滿足上述結(jié)構(gòu)和性能的實(shí)現(xiàn),是一種有效的解決途徑。
盡管陶瓷3D打印技術(shù)在車輛裝備底盤系統(tǒng)的制造中有眾多的優(yōu)勢(shì),但若要取得普遍的應(yīng)用成果,仍然還有諸多難點(diǎn)問題需要解決。
在原料制備上,當(dāng)前3D打印技術(shù)所用的陶瓷原料存在種類少、均勻度不高、制備工藝復(fù)雜等問題。如陶瓷漿料的制備通常需要嚴(yán)格控制粘度、pH值等參數(shù)。可根據(jù)相同形態(tài)的陶瓷原料制備,深入研究原材料特性對(duì)制件性能的影響,探索一般性規(guī)律,開發(fā)高性能原材料和新型制備技術(shù)。
在成型工藝上,主要存在過程難控制、可靠性不高等問題,直接影響著產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能。需要根據(jù)各類3D打印技術(shù)的成型特點(diǎn),從設(shè)備元件、工藝條件等方面出發(fā),加強(qiáng)研發(fā)力度,構(gòu)建不同結(jié)構(gòu)、不同材料的技術(shù)路線。
為更好地適應(yīng)車輛裝備底盤系統(tǒng)的制造需要,除了上述問題外,還需針對(duì)性地滿足零部件特性和使用要求。比如,開展陶瓷基復(fù)合材料的創(chuàng)新應(yīng)用研究;研發(fā)大尺寸、整體化制造設(shè)備及方法;建立制件工作模擬平臺(tái)和壽命預(yù)測(cè)模型。
陶瓷3D打印技術(shù)作為一種新型的先進(jìn)制造技術(shù),在車輛裝備底盤系統(tǒng)的制造領(lǐng)域具有極大的發(fā)展?jié)摿ΑkS著技術(shù)水平的不斷提高,陶瓷3D打印技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)零件級(jí)-部件級(jí)-整機(jī)的應(yīng)用突破,將大大提升車輛裝備的機(jī)動(dòng)和防護(hù)性能,增強(qiáng)戰(zhàn)斗力,適應(yīng)未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)車輛裝備提出的更高要求??梢灶A(yù)見,陶瓷3D打印技術(shù)的不斷完善與應(yīng)用,也必將推動(dòng)軍械裝備制造領(lǐng)域的創(chuàng)新式發(fā)展。