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鄒小姐：13326633089 -
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航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)件的工作溫度高、溫差變化劇烈、工作環(huán)境惡劣、受力情況復(fù)雜，且隨著結(jié)構(gòu)、功能一體化要求的提出，其結(jié)構(gòu)變得更復(fù)雜、壁厚更薄，這對(duì)其制造水平提出了越來(lái)越高的要求。熔模精密鑄造技術(shù)是目前國(guó)際上生產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件的主流技術(shù)，其中陶瓷型芯是制造渦輪葉片、機(jī)匣類(lèi)承力件等帶有空心結(jié)構(gòu)的熔模精密鑄件的轉(zhuǎn)接件，其作用是形成鑄件的內(nèi)腔形狀，并與型殼共同保證鑄件壁厚的尺寸精度。
隨著熔模鑄造朝著“精密、薄壁、無(wú)余量”的方向發(fā)展，陶瓷型芯的性能及工程可靠性面臨著挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的成型技術(shù)存在廢品率高、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、復(fù)雜度和尺寸精度受限等問(wèn)題，因此目前高性能陶瓷型芯的先進(jìn)成型技術(shù)的研究已逐漸成為陶瓷型芯制備工藝科學(xué)研究的主流。
關(guān)于陶瓷型芯的介紹，更多內(nèi)容可以閱讀以下文章：
航空發(fā)動(dòng)機(jī)的“靈魂伴侶”：氧化鋁陶瓷型芯
陶瓷型芯先進(jìn)成型技術(shù)
一、注射冷凍成型技術(shù)
注射冷凍成型工藝是在冷凍干燥技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的一種制備具有定向直孔結(jié)構(gòu)多孔陶瓷的成型工藝。它是指在低溫下使?jié){料凍結(jié)，在對(duì)凍結(jié)坯體進(jìn)行解凍的過(guò)程中，利用漿料中膠凝劑的膠凝構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)骨架使坯體形狀得以固定的一種成型方法。
注射冷凍成型工藝可以實(shí)現(xiàn)陶瓷近凈尺寸成型，按其工藝途徑可分為兩種：一種是通過(guò)陶瓷漿料在模具中冷凍使?jié){料凝固，得到一定形狀的坯體，然后用冷凍干燥的方法排除液相介質(zhì)，獲得干燥坯體；另一種則是將粉料與硅溶膠混合制備漿料，成型后通過(guò)低溫冷凍使硅溶膠凝膠化得到固化的坯體，然后將坯體升溫到室溫下進(jìn)行干燥。
注射冷凍成型工藝流程圖
這種成型方法漿料中黏合劑用量少，干燥時(shí)無(wú)需真空裝置，預(yù)燒時(shí)不需要填料，燒結(jié)時(shí)可快速升溫。同時(shí)，漿料中易于加入陶瓷晶須或纖維等添加劑，使陶瓷型芯的燒結(jié)收縮減小，尺寸精度提高，高溫性能改善。
二、無(wú)模成型技術(shù)
傳統(tǒng)的成型方法無(wú)法擺脫模具對(duì)陶瓷型芯生產(chǎn)的限制，難以滿足不斷縮短的產(chǎn)品更新周期和頻繁的型芯產(chǎn)品試制與改型的需要，亦難以滿足型芯形狀更復(fù)雜、結(jié)構(gòu)更精細(xì)的要求。無(wú)模成型技術(shù)(Solid Free-forming Fabrication,SFF)的發(fā)展，為陶瓷型芯的成型開(kāi)辟了一條新途徑，使型殼與型芯的一體化快速成型成為可能，徹底解決了陶瓷型芯在型殼內(nèi)定位的牢固性和精確性等難題，這對(duì)提高鑄件內(nèi)腔的尺寸精度和形位精度意義重大。
目前，主要的陶瓷無(wú)模成型技術(shù)包括：激光選區(qū)燒結(jié)成型(Selective Laser Sintering,SLS)、立體光刻成型(Stereo Lithography,SL)、分層實(shí)體成型(Laminated Object Manufacturing,LOM)、熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling,FDM)、三維打印成型(Three Dimensional Printing,3DP)等，這些陶瓷無(wú)模成型技術(shù)具有各自不同的工藝特點(diǎn)。并不是所有陶瓷無(wú)模成型技術(shù)均適用于陶瓷型芯的生產(chǎn)，目前應(yīng)用于陶瓷型芯制備的陶瓷無(wú)模成型技術(shù)主要包括立體光刻成型(SL)和三維打印成型(3DP)。
1.立體光刻成型
立體光刻成型(SL),又稱為立體印刷成型或光敏固化成型，是出現(xiàn)最早和應(yīng)用最廣泛的快速原型技術(shù)。立體光刻成型在其應(yīng)用初期主要用于高分子材料的成型，后來(lái)亦用于陶瓷成型。陶瓷立體光刻成型的基本過(guò)程是將陶瓷粉體與可光固化的樹(shù)脂混合制成陶瓷漿料，鋪展在工作平臺(tái)上。通過(guò)計(jì)算機(jī)控制紫外線選擇性照射漿料表面，陶瓷料漿通過(guò)光聚合形成高分子聚合體結(jié)合的陶瓷坯體。通過(guò)控制工作平臺(tái)的移動(dòng)，可使新的一層漿料流向已固化部分表面，如此反復(fù)循環(huán)，形成所需的陶瓷坯體。
立體光刻成型示意圖
用于立體光刻成型的陶瓷漿料需有較高的固體含量40%~60%和適宜的粘度(0.1~110 Pa. s @100 s-1)。陶瓷顆粒應(yīng)在漿料中分散均勻，對(duì)漿料的光學(xué)性能也有一定的要求，需選擇合理的光聚合引發(fā)劑，使其能在特定的光波段照射下固化，且要求漿料有足夠的紫外線透過(guò)能力。
2.三維打印成型
三維打印成型(3DP)技術(shù)按照原料狀態(tài)，可分為兩類(lèi)：粉末三維打印成型(P-3DP)和漿料三維打印成型(S-3DP)。
粉末三維打印成型是利用噴嘴向待成型的陶瓷粉床上噴射結(jié)合劑，噴射打印完一層后，粉料床通過(guò)底部的活塞向下移動(dòng)一點(diǎn)的距離，并在粉料床頂部添加新的粉料，然后再噴射打印結(jié)合劑，重復(fù)此過(guò)程，完成后除去未噴射結(jié)合的粉料，即可得到要成型的立體工件。
粉末三維打印成型
漿料三維打印成型，亦稱為噴墨打印成型(Ceramic Ink Jet Printing)，是從粉末三維打印成型發(fā)展而來(lái)，同時(shí)結(jié)合了用于文字輸出的噴墨打印機(jī)的原理。該技術(shù)是將待成型的陶瓷粉與各種有機(jī)物和溶劑配制成陶瓷墨水，通過(guò)打印機(jī)將這種陶瓷墨水按計(jì)算機(jī)指令逐點(diǎn)逐層噴打到平臺(tái)上，形成所要求的尺寸和形狀的陶瓷坯體。
漿料三維打印成型（噴墨打印成型）
三、負(fù)復(fù)型技術(shù)
負(fù)復(fù)型技術(shù)(Negative Replica Method) ，亦稱負(fù)增材技術(shù)(Negative AM Technology)，其工藝流程為：首先使用增材技術(shù)制備一個(gè)帶有空腔的聚合物模具，模具空腔的尺寸與形狀對(duì)應(yīng)于陶瓷部件的尺寸與形狀，然后將流動(dòng)性良好陶瓷漿料充入上述模腔中并實(shí)現(xiàn)固化，隨后進(jìn)行聚合物模具的燒失和部件的焙燒，最終獲得所需的陶瓷部件。
相比于使用增材技術(shù)直接制備陶瓷部件，負(fù)復(fù)型技術(shù)雖然增加了一個(gè)模具的制備環(huán)節(jié)，但由于制造模具所用的材料為聚合物，而聚合物增材制造方面的技術(shù)水平領(lǐng)先于陶瓷，這意味著整體工序的簡(jiǎn)化，亦有利于提高模具成型分辨率與部件表面質(zhì)量。
原則上所有的增材技術(shù)都可以用來(lái)制備負(fù)復(fù)型技術(shù)所需的模具，然而實(shí)際應(yīng)用中使用最多的技術(shù)主要包括立體光刻成型、激光選區(qū)燒結(jié)成型和熔融沉積成型。聚合物模腔中陶瓷部件的成型方法一般采用凝膠注模法，與傳統(tǒng)的熱壓注法和灌漿法相比，凝膠注模法具有不依賴于設(shè)備、工藝簡(jiǎn)單靈活、充型性能好、漿料粘結(jié)劑含量低、坯體濕強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，是一種近凈成型復(fù)雜陶瓷的先進(jìn)技術(shù)。
SL成型的樹(shù)脂模(a)和成型后的陶瓷型芯部件(b)
四、充芯材料灌漿成型技術(shù)
上述成型工藝所制備的陶瓷型芯，或?yàn)轭A(yù)制型芯(Precast Ceramic Core)，或?yàn)閹в行托窘Y(jié)構(gòu)的一體化型殼。然而，預(yù)制型芯價(jià)格昂貴，且對(duì)于某些內(nèi)腔尺寸較大且壁厚較薄的部位，蠟?zāi)o(wú)法承受住預(yù)制型芯的較大重量，極易導(dǎo)致蠟?zāi)Ｗ冃紊踔疗扑?；而由于鑄件尺寸較大，亦無(wú)法通過(guò)負(fù)復(fù)型技術(shù)成型一體化型殼。
內(nèi)腔尺寸大壁厚薄的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣型殼
基于這種情況，可以選擇將整體熔模先涂掛若干層型殼，在內(nèi)腔型殼的厚度不足以造成砂料搭橋前，用灌漿成型的方法將陶瓷漿料填充至型殼空腔中，填充至型殼內(nèi)腔的陶瓷材料即為充芯材料(Core Packing)，充芯材料與包裹在其外的型殼組合在一起，共同發(fā)揮陶瓷型芯的作用。
灌漿成型要求充芯材料在充型前應(yīng)為流動(dòng)性良好的液態(tài)漿料，且具有延遲固化性。充芯材料被包裹在型殼中，澆注過(guò)程中不與金屬液直接接觸，因此，在材料耐火度、化學(xué)穩(wěn)定性等方面的要求比預(yù)制型芯及一體化型殼要低，然而對(duì)充芯材料的濕坯強(qiáng)度提出了更高要求。充芯材料固化在較為封閉的型殼內(nèi)腔，極難干燥，這就需要充芯材料具有足夠的自硬化性能。
總結(jié)
陶瓷型芯成型技術(shù)相對(duì)遲滯的發(fā)展，已成為限制高性能陶瓷型芯產(chǎn)業(yè)化的瓶頸。注射冷凍成型、無(wú)模成型、負(fù)復(fù)型和充芯材料灌漿成型等先進(jìn)陶瓷成型技術(shù)的發(fā)展為陶瓷型芯的生產(chǎn)開(kāi)拓了新的思路。特別是無(wú)模成型技術(shù)的發(fā)展,使陶瓷型芯的成型過(guò)程更加集成化、智能化和高效化，與傳統(tǒng)的諸多成型方法相比表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì)。然而，無(wú)模成型技術(shù)亦存在設(shè)備昂貴、軟件封閉、材料昂貴、成型性能不理想等不足。因此，陶瓷型芯無(wú)模成型技術(shù)要實(shí)現(xiàn)成熟的工業(yè)化應(yīng)用仍任重道遠(yuǎn)。
參考來(lái)源：
1. 高溫合金精密鑄造用陶瓷型芯成型技術(shù)研究進(jìn)展，于德海、王飛、何博、陸敏（現(xiàn)代技術(shù)陶瓷）；
2. 高溫合金空心葉片精密鑄造用陶瓷型芯與型殼的研究現(xiàn)狀，康海峰、李飛、趙彥杰、徐華蘋(píng)、王飛、呂和平、孫寶德（材料工程）；
3. 高溫合金空心葉片用陶瓷型芯的研究進(jìn)展，王飛、李飛、劉河洲、王俊、孫寶德（航空制造技術(shù)）；
4. 單晶葉片鑄造用氧化鋁基陶瓷型芯研究進(jìn)展，趙童剛、王秀峰、王莉麗、江紅濤（中國(guó)陶瓷）。
粉體圈小吉
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