3DCERAM陶瓷3D打印應(yīng)用——陶瓷型航空發(fā)動(dòng)機(jī)芯

來源：3DCERAM

隨著航天、航空和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展,，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)鉁囟炔粩嗵岣�,，因此要求不斷增加渦輪葉片耐高溫的能力�,；�于此目��,，高溫合金渦輪葉片在結(jié)構(gòu)方面實(shí)現(xiàn)了從實(shí)心到空心的發(fā)展，在凝固方式方面實(shí)現(xiàn)了從多晶,、定向凝固以及倒單晶的跨越,。

渦輪葉片的使用環(huán)境
渦輪葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中最關(guān)鍵的零件之一，處于發(fā)動(dòng)機(jī)中溫度最高,、應(yīng)力最復(fù)雜,、環(huán)境最惡劣的部位，且數(shù)量眾多,、形狀復(fù)雜,、尺寸要求高、加工難度大,，直接影響著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,。先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度可達(dá)1700℃以上，增壓后,，壓力高達(dá)50多個(gè)大氣壓,。
為了滿足發(fā)動(dòng)機(jī)性能、可靠性和壽命的要求,，渦輪葉片材料需要具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度,，良好的抗氧化、抗熱腐蝕性以及良好的疲勞,、斷裂韌性等綜合性能,。

渦輪葉片冷卻與陶瓷型芯
當(dāng)前，葉片的冷卻結(jié)構(gòu)已由傳統(tǒng)的對(duì)流冷卻,、沖擊冷卻和氣膜冷卻等方式發(fā)展到高效發(fā)散冷卻與層板冷卻等,。所有的這些冷卻方式都與葉片內(nèi)腔的形狀有關(guān)，而內(nèi)腔形狀實(shí)現(xiàn)的可 能性又取決于陶瓷型芯的性能,。鑄造葉片冷卻后,，葉片從模具中取出,，同時(shí)內(nèi)部的陶瓷型芯需要溶解掉。目前,，陶瓷型芯正向形狀更復(fù)雜,、尺寸更小、性能更高的方向發(fā)展,，從而極大地促進(jìn)了高性能鑄造高溫合金在燃?xì)鉁u輪葉片中的應(yīng)用,。

陶瓷型芯材質(zhì)
制備陶瓷型芯的原材料必須具備以下條件：足夠的耐火度(熔點(diǎn)或高溫軟化點(diǎn)要高于 1600℃)； 具有較好的熱化學(xué)穩(wěn)定性,，與合金有元素高溫不相容,；熱穩(wěn)定性和抗熱震性能好 ， 線膨脹系數(shù)較小且與型殼相匹配,、易脫除,， 燒成后無過多的高低溫晶型轉(zhuǎn)變。目前常用的材質(zhì)包括：

1）氧化硅基陶瓷型芯
以石英玻璃作為基體材料 ,，添加氧化鋁,、莫來石、 鋯英粉等作為強(qiáng)化相,， 依靠控制方石英的含量來保證陶芯的性能,。氧化硅基陶瓷型芯的燒成溫度通常為1150~1250℃，使用溫度為1520~1550℃,。當(dāng)只用溫度超過1550℃時(shí),，硅基型芯的高溫抗蠕變性和化學(xué)穩(wěn)定性顯著下降。

2）氧化鋁基陶瓷型芯
氧化鋁在焙燒和鑄造過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,，不發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變,，熱膨脹系數(shù)低，熱化學(xué)穩(wěn) 定性良好,，故氧化鋁基型芯與氧化硅基相比化學(xué)穩(wěn)定性,、高溫強(qiáng)度與抗蠕變性更好。同時(shí)由于氧化鋁的高耐火度,，氧化鋁基型芯通常難以燒結(jié)且化學(xué)脫除困難,，通常需要加入合適的礦化劑。

常規(guī)陶瓷型芯的制備工藝
陶瓷型芯的制備方法有熱壓注法,、灌漿法,、擠壓法、傳遞模法等,，目前國內(nèi)外主要采用熱壓注法制備陶瓷型芯,，以熱塑性材料為增塑劑配制陶瓷漿料,，熱壓注成形陶瓷型芯坯體,，進(jìn)行脫蠟,、高溫焙燒，然后將焙燒后的型芯進(jìn)行整形,、強(qiáng)化處理,，最終獲得尺寸 精度符合要求的陶瓷型芯。在陶瓷型芯的制備過程中,， 耐火粉料的成分配比及顆粒級(jí)配,、燒成溫度、爐溫均勻性,、填料及強(qiáng)化處理等因素對(duì)陶瓷型芯的微觀結(jié)構(gòu),、高溫力 學(xué)性能均有顯著的影響。

熱壓鑄法工作流程圖

陶瓷3D打印工藝
3D打印(又稱增材制造) 技術(shù)基于“離散-堆積”成型原理,，由零部件的三維數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)直接制造實(shí)體零件,，省去了傳統(tǒng)成型技術(shù)中繁復(fù)的工藝過程和昂貴的模具成本，將傳統(tǒng)“去除”材料制造轉(zhuǎn)變?yōu)椤霸黾印辈牧现圃�,。該技術(shù)集成計(jì)算機(jī),、數(shù)控、激光和新材料等技術(shù),，在制備無需模具的復(fù)雜形狀和結(jié)構(gòu)零部件方面具有巨大優(yōu)勢(shì),。      

  

3D打印技術(shù)已經(jīng)在直接成型復(fù)雜形狀金屬和高分子零部件方面顯示出了巨大的優(yōu)越性，新興的3D打印工藝在高性能陶瓷的成型制造領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿�,，有望突破傳統(tǒng)陶瓷加工和生產(chǎn)的技術(shù)瓶頸,，充分滿足對(duì)個(gè)性化、精細(xì)化,、輕量化和復(fù)雜化的高端產(chǎn)品的快速制造的需求為陶瓷關(guān)鍵零部件的應(yīng)用開辟新的途徑,。利用3D打印技術(shù)，結(jié)合陶瓷材料的優(yōu)異特性則為高性能,、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的空心葉片成型提供了芯的選擇,，其省去了模具開發(fā)復(fù)雜工序，可實(shí)現(xiàn)快速,、低成本以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)成品的制造,。

陶瓷3D打印的原理（以目前最為主流的基于光固化陶瓷3D打印為例），一般是將陶瓷粉末與光敏樹脂混合為陶瓷漿體的打印材料,，通過激光逐層固化成型為陶瓷生坯,。因此在圖2.2 右側(cè)中，在打印完成后還需要進(jìn)行脫脂燒結(jié)等工序去除陶瓷生坯中的有機(jī)成分,，得到最終的陶瓷制品,。

光固化陶瓷3D打印的主要步驟有三個(gè)：陶瓷漿料準(zhǔn)備、光固化成型以及脫脂燒結(jié)工藝,，每一步都會(huì)影響最終的陶瓷產(chǎn)品的質(zhì)量,。
穩(wěn)定的陶瓷打印材料：高固含量和低顆粒度的陶瓷材料制備的陶瓷生坯可在經(jīng)過熱處理后獲得良好的致密度,，材料的穩(wěn)定性和流動(dòng)性取決于顆粒和顆粒、顆粒和溶劑之間的相互作用,。

光固化成型：制備穩(wěn)定的漿料后,，需要在打印機(jī)中光固化成型。UV光敏樹脂中存在大量的陶瓷顆粒,，如圖所示,，陶瓷顆粒對(duì)光有吸收和散射作用，會(huì)對(duì)產(chǎn)品成型的精度產(chǎn)生影響,。

陶瓷顆粒對(duì)光的散射
脫脂燒結(jié)：焙燒過程伴隨有機(jī)物分解和陶瓷顆粒晶粒與晶界的變化,，最終得到陶瓷產(chǎn)品，有機(jī)物分解殘余的碳會(huì) 影響產(chǎn)品的質(zhì)量,，因此選擇合適的焙燒工藝對(duì)最終陶瓷產(chǎn)品起著很重要的作用,。其原理示意圖如下，圖中黑色代表陶瓷顆粒,，紅色為樹脂部分：

適用于陶瓷型芯的陶瓷3D打印解決方案

打印材料：針對(duì)不同的澆鑄方法,、合金種類以及脫芯方法，針對(duì)性開發(fā)了相適應(yīng)的陶瓷型芯打印材料,，包括化學(xué)穩(wěn)定性較好的鋁基材料,，脫芯方便的硅基材料，氧化鋁/氧化硅復(fù)合打印材料以及氧化鋯/氧化硅復(fù)合打印材料,，并且可根據(jù)客戶目前所使用陶瓷粉進(jìn)行定制化研發(fā),，最大限度地滿足澆鑄工藝要求。Silicore為專為硅基陶瓷型芯開發(fā)的打印材料,，其特點(diǎn)在于：較高的機(jī)械性能,、易脫型、高溫穩(wěn)定性好,、適用于鑄造多種合金,，具體指標(biāo)如下

  

打印設(shè)備：針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，提供打印幅面從100*100mm到600*600mm的不同規(guī)格打打印設(shè)備以充分滿足需求,。

工藝優(yōu)勢(shì)：由于采用打印機(jī)采用下沉式結(jié)構(gòu),，配合高固含量的打印材料，因此在成型過程中可避免與樣品直接連接的傳統(tǒng)柱狀支撐,，而可采用非接觸式“塊狀支撐”,，進(jìn)而方便打印后支撐與零件的分離，以及燒結(jié)過程中零件形狀的保持,。