利用3D打印應對陶瓷型芯成型挑戰（路線分類及其優化篇）

發布時間 | 2023-10-27 11:52 分類 | 粉體應用技術點擊量 | 811

石英氧化硅氧化鋁

導讀：不同門類3D打印技術的不斷發展和在陶瓷領域的深入應用，為陶瓷制品的個性化定制及研發提供了一種全新的策略。陶瓷型芯的成型過程由此變得更加集成化、智能化和高效化，讓高性能陶瓷型芯的產業化...

為了滿足現代航空事業的需求，渦輪葉片的冷卻效率需要不斷提高。為此，渦輪葉片被設計為內含復雜氣冷流道的空腔結構，而鑄造型芯作為葉片熔模精密鑄造過程中的關鍵材料，被放置在模具的中心作為一種犧牲材料以留出空位，并在最后通過化學、機械、熱脫等方法去除。常用的型芯材料包括型芯砂、金屬、陶瓷等，其中，陶瓷型芯由于具有高熔點、耐腐蝕、化學穩定等優點，成為高熔點金屬鑄造采用的最主要型芯材料。尤其是，航空發動機空心渦輪葉片的精密鑄造過程中需要型芯自身耐高溫，從而使得陶瓷型芯在渦輪葉片精密鑄造中得到了廣泛應用。

具有優異高溫強度、良好抗氧化、抗熱腐蝕性的渦輪葉片材料

不過，復雜異形陶瓷型芯的成型和制造非常困難，傳統方法逐漸難以實現如多層壁型芯等復雜異形陶瓷型芯的成型。3D打印技術為復雜異形陶瓷型芯的成型提供了創新技術途徑。與傳統制造方式不同，3D打印制造方式能極大簡化制造流程，大大縮短開發周期，同時還具有高精度、低成本、材料浪費少、設計性強等優點。然而目前3D打印的陶瓷型芯距離實際工程應用仍存在一定差距，較多關鍵技術仍需突破、相關機理亟待揭示，需要進一步對其發展面臨的關鍵挑戰進行分析。

陶瓷型芯的3D打印路線

3D打印技術基于“離散—堆積”原理，首先建立零件的三維模型，利用計算機模擬切片技術，得到每層成型形狀。采用不同方式將原料逐層堆積成型。具有成型速度快、設計自由度高、材料浪費少等優勢，在制備復雜結構制品時具有極大優勢。目前，復雜異形陶瓷型芯的3D打印較多采用以下技術：(1)光固化成型，主要為立體光刻成型(SLA)與數字光處理成型(DLP)；(2)墨水直寫成型(DIW)；(3)黏結劑噴射成型(BJ)；以及(4)激光選區燒結(SLS)等。

陶瓷型芯3D打印技術分類：(a)立體光刻成型SLA；(b)數字光處理成型DLP；(c)墨水直寫成型DIW；(d)黏結劑噴射成型BJ；(e)激光選區燒結SLS

1、光固化成型

光固化成型是目前研究最為廣泛的陶瓷型芯3D打印技術。其基本原理是通過逐層照射陶瓷漿料中的光引發劑，使陶瓷材料逐層固化成型，獲得陶瓷型芯坯體，再經燒結后得到最終陶瓷型芯產品。按照光源投影方式的不同，光固化成型主要可包括立體光刻成型(SLA)與數字光處理成型(DLP)兩類。

（1）立體光刻成型(SLA)3D打印，首先在光固化介質(如光敏樹脂)中添加陶瓷顆粒配置光敏陶瓷漿料，光源再按照程序設定逐點掃描使得陶瓷漿料固化，固化后成型臺下降一定高度配合刮刀重新鋪滿漿料，漿料逐層固化得到陶瓷型芯坯體，再經脫脂與燒結后得到最終的陶瓷型芯。立體光刻成型具有精度高、可成型復雜結構的優點。

（2）數字光處理成型(DLP)3D打印，在立體光刻成型3D打印的基礎上有所改良。漿料借助面光源光照固化整層同時成型，所以又稱為面曝光3D打印技術。與傳統立體光刻成型的“點—線—層”掃描不同，“面—層”掃描的數字光處理成型的打印時間大大縮短、打印效率更高。然而，目前在制備大尺寸陶瓷型芯時仍存在一定困難，尤其是當成型復雜異形、不規則且具有弧度的雙壁型芯結構時存在較大難度。

a)立體光刻成型3D打印制備氧化鋁基陶瓷型芯；(b)(c)氧化鋁基陶瓷型芯光學放大照片

2、墨水直寫成型

墨水直寫成型(DIW)是一類典型的材料擠出成型技術。首先將陶瓷粉體與黏結劑混合制備具有一定黏彈性的陶瓷墨水，再從墨水直寫成型設備的噴嘴中擠出，噴嘴按照預設路徑移動，漿料逐層堆積形成陶瓷型芯坯體，后經脫脂與燒結后得到陶瓷型芯。與光固化成型相比，墨水直寫成型具有操作簡單、方便快捷、成本低廉等優點，且有望成型大尺寸構件，但可惜的是，其成型精度有限，難以制備高精度、復雜異形陶瓷型芯。

3、黏結劑噴射成型

黏結劑噴射(BJ)是一種典型的添加劑制造技術。3D打印設備根據計算機模型將液體黏結劑噴射在鋪設的陶瓷粉體上，粉體逐層黏結構筑成最終的陶瓷型芯坯體，再經脫脂與燒結后最終得到陶瓷型芯。黏結劑的種類極大影響陶瓷型芯坯體的力學性能、精度、相對密度、表面粗糙度。一般而言，黏結劑噴射成型3D打印的成型效率較高，甚至可以將陶瓷型芯的3D打印時長從小時維度縮短為分鐘維度，但是陶瓷型芯坯體精度一般較低，強度較差，極易在后續脫脂與燒結處理過程中發生碎裂、坍塌等缺陷。

黏結劑噴射成型3D打印制備陶瓷流道芯：(a)打印過程；(b)3D模型圖；(c)氧化鋁陶瓷流道芯坯體

4、激光選區燒結成型

選區激光燒結成型(SLS)與黏結劑噴射成型類似，采用的原料同為陶瓷粉體。黏結劑噴射成型通過逐層黏合陶瓷粉體成型獲得陶瓷坯體，而選區激光燒結成型則是通過激光高溫燒結使陶瓷粉體燒結成型獲得最終的陶瓷型芯坯體。選區激光燒結成型工藝簡單，適用材料范圍廣、材料利用率高，所以常用來快速成型型芯。然而，多數陶瓷粉體燒結溫度較高，這一方面對選區激光燒結成型設備的激光器性能有極高要求，設備成本高昂；另一方面，成型過程中急劇的溫度變化，極易影響陶瓷型芯制造精度與性能。

選區激光燒結成型3D打印技術制備的陶瓷型芯

綜上所述，陶瓷型芯的幾種3D打印技術各有千秋，與傳統成型方法相比，3D打印技術擺脫了模具的限制，極大縮短了陶瓷型芯的研制周期，同時還具有設計性強、能成型復雜異形結構等優點。

陶瓷型芯3D打印的優化

1、3D打印精度與效率的提升

3D打印陶瓷型芯的精度與效率通常相互制衡。其中，二氧化硅基型芯高溫性能較差，為了保證二氧化硅基陶瓷型芯在使用時的鑄造精度，需要型芯3D打印與燒結后的收縮率低于1%、高溫撓度小于1mm。有學者對比了不同工藝制備二氧化硅基陶瓷型芯的收縮率與高溫撓度，其中傳統成型技術中，精度最高的為熱壓鑄成型、燒結的二氧化硅基陶瓷型芯；3D打印成型中，精度最高的為激光選區燒結成型、燒結的二氧化硅基陶瓷。另外，就制造效率而言，可以根據原料種類、精度要求、制品尺寸等多方面要求綜合考慮選擇合適的3D打印技術。據已有的研究成果分析，在提升制造精度的目的下，光固化成型技術更有優勢，在打印大尺寸制品時，激光選區燒結技術能夠滿足需求。

不同成型技術制備的陶瓷型芯精度對比：(a)二氧化硅基陶瓷型芯；(b)氧化鋁基陶瓷型芯

2、氣孔率與強度的協同提升

在空心渦輪葉片的精密鑄造過程中，降低燒結溫度能夠顯著提升陶瓷型芯的氣孔率，但燒結不充分又會導致陶瓷型芯彎曲強度的降低，氣孔率與強度作為此消彼長的對立變量，難以達到“雙高”。目前，就平衡陶瓷型芯氣孔率與強度的研究主要有兩種途徑：(1)優化制備工藝和改善漿料配比。選取合適的燒結溫度，通過影響晶粒生長來平衡型芯氣孔率與強度是目前應用較為廣泛的方法。與之相似的，還有改變燒結氣氛、脫脂溫度、添加后處理工藝等。(2)部分研究通過制備多孔陶瓷型芯來平衡氣孔率與強度，通過在漿料中加入有機物顆粒，在燒結過程中分解產生氣孔。通過控制有機物顆粒的含量、粒徑，實現對陶瓷氣孔率、孔徑、孔道及孔形態的精確控制，使型芯氣孔率及內部形態可控化。

不同成型技術制備的陶瓷型芯彎曲強度、氣孔率對比：(a)二氧化硅基陶瓷型芯；(b)氧化鋁基陶瓷型芯

3、陶瓷型芯內部缺陷的精準抑制

陶瓷型芯由于具有脆性且結構復雜，在燒結與澆鑄過程中容易產生裂紋甚至斷裂。以二氧化硅基陶瓷型芯為例，為了改善高溫性能在SiO₂中加入鋯英粉，在保溫過程中，晶體顆粒長大，方石英含量不斷增加，型芯結構愈發致密，導致內應力增大，內部產生微裂紋，從而造成強度的下降。因此，合理選擇添加相的種類，并科學控制添加相的含量，能夠有效防止裂紋的產生，提高成品率。此外，改進型芯結構設計等舉措也能有效預防與精準抑制陶瓷型芯的缺陷。