超高温碳化物陶瓷的反应两步式增材制造

超高温陶瓷（UHTCs）是需要在极端温度（>2000{\deg}C）、高机械载荷或侵蚀性氧化环境中保持韧性的应用中的候选结构材料。使用增材制造（AM）方法将 UHTC 过渡金属碳化物作为独立材料进行加工尚未完全实现，因为其极慢的原子扩散率阻碍了烧结，且间接 AM 过程中的大体积变化会诱发缺陷结构。本文研究了一种用于形成超高温陶瓷 TiCx 的两步式反应 AM 方法。使用易得的设备，包括聚合物粉末床熔融 AM 机器和传统管式炉，以亚毫米分辨率制备了 UHTC 立方体和点阵结构。该工艺方案包括：（1）将 Ti 前驱体与酚醛粘结剂混合进行选择性激光烧结以成型生坯，以及（2）在 CH4 中对生坯进行非原位等温气固转化形成 TiCx 结构。在 CH4 中的反应后处理实现了高达 98.2 wt% 的 TiC0.90 产物产率，并且由于 Ti 转化为 TiC 伴随的体积膨胀，降低了固化过程中的净收缩。结果表明，与 TiC 形成相关的吉布斯自由能释放所产生的反应键合在较低炉处理温度下实现了颗粒间粘附。通过此类工艺键合高难熔材料的能力产生了无裂纹且在热冲击测试中抗断裂的结构。广泛而言，所提出的增材制造方法可用于生产许多 UHTC 碳化物，而这些碳化物可能与其他不含反应合成的现有 AM 技术不兼容。