利用3D打印應對陶瓷型芯成型挑戰（材料路線及其優化篇）

發布時間 | 2023-10-30 13:55 分類 | 粉體應用技術點擊量 | 1734

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...

之前主要從技術路線及優化的角度對陶瓷型芯3D打印進行介紹，本文將從材料路線及相關最新研究成果角度深入了解，將工藝與材料之間架起連接的橋梁。

氣孔率、室溫/高溫強度是陶瓷型芯的關鍵指標，其發展的核心追求是在滿足復雜形狀與精度的前提下，期待兩者數值越高越好。3D打印的陶瓷型芯坯體燒結后開氣孔率一般為20%～50%，基本能夠保證后續高溫鑄造與脫芯需求。其中二氧化硅基陶瓷型芯的燒結后室溫強度一般可達20MPa左右，氧化鋁基陶瓷型芯的室溫強度可達35MPa左右，也基本滿足高溫鑄造過程的強度要求。下面分別對目前主流的二氧化硅基(SiO₂)陶瓷型芯、氧化鋁基(Al₂O₃)陶瓷型芯、氧化鈣基(CaO)陶瓷型芯的3D打印研究進展進行介紹。

幾種陶瓷型芯性能對比

一、二氧化硅基陶瓷型芯

二氧化硅基(SiO₂)陶瓷型芯的熱膨脹系數低、熱穩定性、化學穩定性好，長期以來得到廣泛研究與應用。傳統成型方法有壓制成型、注射成型、熱壓鑄成型等，然而傳統制備方法的產品室溫彎曲強度較低，影響了后續精密鑄造的質量，因而學者轉向關注3D打印技術工藝以提升性能。3D打印多采用光固化成型及激光選區燒結成型。

一些學者嘗試在二氧化硅基材中添加第二相以提高型芯強度。例如，在基體中摻入6wt.%的Al₂O₃粉體可以促進燒結時方石英相的形成，提高型芯在高溫下的力學性能。同樣的，在基體中添加2wt.%的ZrO2也可以在燒結中與SiO₂反應生成ZrSiO4，增強型芯高溫下的抗彎強度。盡管通過這些方法，二氧化硅基陶瓷型芯的室溫力學性能得到了一定提升，但仍處于較低水平，且SiO₂在1550℃以上會產生蠕變，因而仍需進一步探索。

二、氧化鋁基陶瓷型芯

傳統二氧化硅基陶瓷型芯難以滿足高熔點金屬的高溫性能要求，相比之下氧化鋁(Al₂O₃)基型芯的高溫穩定性、高溫抗蠕變性能、高溫強度更優，因此受到更多關注。氧化鋁基陶瓷型芯的傳統成型方法包括壓制成型、熱壓鑄成型、凝膠注模成型等，燒結獲得型芯的氣孔率、室溫高溫彎曲強度基本滿足后續精密鑄造需求。對此3D打印技術多采用數字光處理和立體光刻成型，優點是型芯具有較高的表面質量與制備精度，型芯強度也同樣基本滿足后續使用要求。

然而，氧化鋁基陶瓷型芯在堿性溶液中的溶解能力較差，導致脫芯困難。為了解決這一問題，有學者在Al₂O₃漿料中加入造孔劑，制備出了多孔的氧化鋁基陶瓷型芯，氣孔率提高了約3%～12%，顯著增大了堿性溶液與氧化鋁基陶瓷型芯的接觸面積，提高脫芯性能。此外，造孔劑的添加還一定程度上抑制了氧化鋁基陶瓷型芯燒結過程中的收縮，有助于提高型芯的制造精度。

此外，燒結工藝對孔隙率和彎曲強度有顯著影響，即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。如何優化燒結工藝實現氣孔率與強度的“雙高”，學者仍在不斷探索。

三、氧化鈣基陶瓷型芯

氧化鈣(CaO)具有高熔點及優異的熱力學穩定性，尤其對熔融的鈦金屬具有良好的高溫穩定性，因此可用作鈦合金葉片精密鑄造的陶瓷型芯。然而，堿性氧化物CaO吸濕明顯，極易吸收空氣中的水分和二氧化碳，極大劣化了氧化鈣基陶瓷型芯的性能，增加了氧化鈣基陶瓷型芯運輸和儲存的難度。有學者通過采用其他氧化物包裹CaO顆粒來隔絕空氣，即采用表面改性及氧化物包覆均可提升氧化鈣基陶瓷型芯的抗水化性能，從而保證運輸和儲存過程中氧化鈣基陶瓷型芯的完好。氧化鈣基陶瓷型芯的傳統制備方法多采用壓制成型，3D打印多采用黏結劑噴射技術，燒結后的室溫彎曲強度在23MPa～31MPa，但缺少高溫彎曲強度數據。

結論與展望

SiO₂、Al₂O₃、CaO是目前應用最為廣泛的幾種陶瓷型芯材料，然而，二氧化硅基陶瓷型芯高溫下容易發生蠕變，使用溫度一般不能超過1550℃；氧化鋁基陶瓷型芯脫芯一般燒結溫度較高，脫芯較為困難；氧化鈣基陶瓷型芯吸濕性，運輸和儲存難度較大。

近年來，新型的復合陶瓷材料體系受到了越來越多的關注與研究。新型納米復合材料體系是將不同種類的陶瓷材料復合，3D打印制備兼具高氣孔率、高強度的陶瓷型芯。與單一基體材料型芯相比，納米復合陶瓷型芯通過兩相或多相納米級陶瓷顆粒均勻分布，在最佳配比下能夠最大限度提升陶瓷型芯的力學性能，在強度、韌性、耐高溫性、燒結性能等各個方面均表現優異，成為今后復雜異形陶瓷型芯3D打印的優選材料體系。