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邹小姐：13326633089 -
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航(hang)空(kong)发动机结构(gou)(gou)件(jian)的(de)(de)(de)工(gong)作(zuo)温(wen)(wen)度高、温(wen)(wen)差(cha)变(bian)化剧(ju)烈、工(gong)作(zuo)环(huan)境恶(e)劣、受(shou)力情况复杂，且(qie)随着结构(gou)(gou)、功能一体化要求(qiu)的(de)(de)(de)提(ti)出，其(qi)(qi)(qi)结构(gou)(gou)变(bian)得更复杂、壁(bi)厚(hou)更薄(bo)，这(zhei)对(dui)其(qi)(qi)(qi)制造(zao)水平提(ti)出了越来越高的(de)(de)(de)要求(qiu)。熔(rong)模精密铸(zhu)(zhu)造(zao)技术(shu)是目前国(guo)际(ji)上生产航(hang)空(kong)发动机部(bu)件(jian)的(de)(de)(de)主流技术(shu)，其(qi)(qi)(qi)中陶瓷型(xing)(xing)芯是制造(zao)涡轮叶片(pian)、机匣类承力件(jian)等带(dai)有空(kong)心结构(gou)(gou)的(de)(de)(de)熔(rong)模精密铸(zhu)(zhu)件(jian)的(de)(de)(de)转接件(jian)，其(qi)(qi)(qi)作(zuo)用是形成铸(zhu)(zhu)件(jian)的(de)(de)(de)内腔形状，并与型(xing)(xing)壳(qiao)共同保证铸(zhu)(zhu)件(jian)壁(bi)厚(hou)的(de)(de)(de)尺(chi)寸精度。
随着熔(rong)模铸造朝着“精密、薄壁、无(wu)余量”的(de)方向发展，陶(tao)瓷(ci)型(xing)芯(xin)(xin)(xin)的(de)性(xing)能(neng)及(ji)工(gong)程可(ke)靠(kao)性(xing)面临着挑战。传(chuan)统的(de)成型(xing)技术(shu)(shu)存在废品(pin)率高(gao)、生产周期长、复杂度和(he)尺寸精度受限等(deng)问题(ti)，因(yin)此目前(qian)高(gao)性(xing)能(neng)陶(tao)瓷(ci)型(xing)芯(xin)(xin)(xin)的(de)先进(jin)成型(xing)技术(shu)(shu)的(de)研(yan)究已逐渐成为陶(tao)瓷(ci)型(xing)芯(xin)(xin)(xin)制备(bei)工(gong)艺科学研(yan)究的(de)主(zhu)流。
关(guan)于(yu)陶(tao)瓷型芯的(de)介绍，更多内容可以阅读以下文章：
陶瓷型芯先进成(cheng)型技术
一(yi)、注射冷冻成型(xing)技术
注射冷冻(dong)成型工艺是(shi)在(zai)冷冻(dong)干燥技术基(ji)础(chu)上发展(zhan)而来的一种制备具有定向(xiang)直(zhi)孔(kong)结构多(duo)孔(kong)陶瓷的成型工艺。它是(shi)指在(zai)低(di)温(wen)下使浆料冻(dong)结，在(zai)对冻(dong)结坯体进行解冻(dong)的过程(cheng)中(zhong)，利用浆料中胶凝剂的胶凝构成网络骨架使坯体形状得以固定的(de)一种成型方法。
注(zhu)射冷冻成型工艺可(ke)以实现(xian)陶(tao)瓷近(jin)净尺寸成型，按其工艺途(tu)径可(ke)分为两种：一(yi)种是通(tong)过陶瓷浆料在(zai)模具中冷(leng)冻使浆料(liao)凝固，得到一定(ding)形状(zhuang)的坯(pi)体，然后用(yong)冷冻干燥的方(fang)法排除液相介质，获得干燥坯(pi)体；另一种则是(shi)将粉料与硅溶胶混合制备浆料，成型后通(tong)过低温冷冻(dong)使硅溶胶凝胶化得到(dao)固化的坯体，然后将坯体升温到(dao)室温下进行(xing)干燥。
注射冷冻(dong)成型工艺流程图
这种成型方法浆料中黏(nian)合剂用量少，干燥(zao)时(shi)(shi)无需真空装置，预烧(shao)时(shi)(shi)不需要填料，烧(shao)结(jie)时(shi)(shi)可快速升(sheng)温。同(tong)时(shi)(shi)，浆料中易(yi)于加入陶(tao)(tao)瓷(ci)晶须或(huo)纤维等添(tian)加剂，使陶(tao)(tao)瓷(ci)型芯的烧(shao)结(jie)收缩减(jian)小，尺寸精(jing)度提高，高温性能改善。
二、无模成型技(ji)术
传统的(de)(de)成型方法(fa)无(wu)法(fa)摆脱模具对陶瓷(ci)型芯(xin)生(sheng)产(chan)(chan)的(de)(de)限制，难(nan)以满(man)足不断(duan)缩短(duan)的(de)(de)产(chan)(chan)品更(geng)新周期和(he)频繁(fan)的(de)(de)型芯(xin)产(chan)(chan)品试制与(yu)改型的(de)(de)需要，亦(yi)难(nan)以满(man)足型芯(xin)形状更(geng)复杂(za)、结构更(geng)精细的(de)(de)要求。无(wu)模成型技术(Solid Free-forming Fabrication,SFF)的(de)(de)发展，为陶瓷(ci)型芯(xin)的(de)(de)成型开辟(pi)了一条新途径，使型壳与(yu)型芯的一体化快速成型成(cheng)为(wei)可能，彻底解决(jue)了(le)陶瓷型芯(xin)在(zai)型壳内(nei)定位的(de)牢固性和(he)精确性等难题，这对提(ti)高铸件内(nei)腔的(de)尺寸精度(du)和(he)形位精度(du)意(yi)义重大。
目前，主(zhu)要的陶(tao)瓷无模(mo)成型技术包括：激光选区烧(shao)结成型(Selective Laser Sintering,SLS)、立体(ti)光刻成型(xing)(Stereo Lithography,SL)、分层实体(ti)成型(xing)(Laminated Object Manufacturing,LOM)、熔融沉积(ji)成型(Fused Deposition Modeling,FDM)、三维(wei)打印成型(Three Dimensional Printing,3DP)等(deng)，这些陶(tao)瓷(ci)无(wu)模成(cheng)型技(ji)(ji)术具有各自不同的工艺特(te)点(dian)。并不是(shi)所(suo)有陶(tao)瓷(ci)无(wu)模成(cheng)型技(ji)(ji)术均适用于陶(tao)瓷(ci)型芯的生产，目前应用于陶(tao)瓷(ci)型芯制(zhi)备的陶(tao)瓷(ci)无(wu)模成(cheng)型技(ji)(ji)术主要包(bao)括立体光刻成型(SL)和(he)三维打印成型(3DP)。
1.立体光刻成型
立(li)(li)(li)体(ti)光刻成(cheng)(cheng)(cheng)型(xing)(xing)(SL),又称为(wei)立(li)(li)(li)体(ti)印刷成(cheng)(cheng)(cheng)型(xing)(xing)或(huo)光敏固(gu)化成(cheng)(cheng)(cheng)型(xing)(xing)，是出现最(zui)早和应(ying)用(yong)最(zui)广泛(fan)的(de)快速原型(xing)(xing)技术。立(li)(li)(li)体(ti)光刻成(cheng)(cheng)(cheng)型(xing)(xing)在其应(ying)用(yong)初(chu)期(qi)主要用(yong)于(yu)高分子材(cai)料(liao)的(de)成(cheng)(cheng)(cheng)型(xing)(xing)，后来亦用(yong)于(yu)陶(tao)瓷成(cheng)(cheng)(cheng)型(xing)(xing)。陶(tao)瓷立(li)(li)(li)体(ti)光刻成(cheng)(cheng)(cheng)型(xing)(xing)的(de)基(ji)本过程是将(jiang)陶瓷粉体与可(ke)光(guang)固化的树(shu)脂混合制成陶瓷浆(jiang)料，铺展在工作(zuo)平台(tai)上。通过计算机控(kong)制(zhi)紫外(wai)线选(xuan)择性照射浆(jiang)料表面，陶(tao)瓷料浆(jiang)通过光聚(ju)合形成(cheng)高分(fen)子聚(ju)合体(ti)(ti)结合的(de)陶(tao)瓷坯(pi)体(ti)(ti)。通过控(kong)制(zhi)工作(zuo)平台(tai)的(de)移动，可使新的(de)一层浆(jiang)料流向已固化部分(fen)表面，如此(ci)反复循环，形成(cheng)所需的(de)陶(tao)瓷坯(pi)体(ti)(ti)。
立体(ti)光刻成型(xing)示意图(tu)
用于立体(ti)(ti)光刻成型(xing)的(de)陶(tao)瓷浆料需(xu)有较高的(de)固体(ti)(ti)含量40%~60%和适宜的(de)粘度(0.1~110 Pa. s @100 s-1)。陶瓷(ci)颗粒(li)应在浆料(liao)中分散均匀，对浆料(liao)的(de)光(guang)学性能也有一(yi)定的(de)要(yao)求，需(xu)选择合理的(de)光聚合引发剂，使其能在特定(ding)的(de)光波段照射下固化，且要求浆(jiang)料(liao)有足够的(de)紫外线透过能力。
2.三(san)维打(da)印成型
三维(wei)(wei)打印(yin)(yin)成型(xing)(xing)(3DP)技术按(an)照原料状态，可分为两类：粉(fen)末三维(wei)(wei)打印(yin)(yin)成型(xing)(xing)(P-3DP)和浆(jiang)料三维(wei)(wei)打印(yin)(yin)成型(xing)(xing)(S-3DP)。
粉末(mo)三维打印成型(xing)是利用(yong)喷(pen)(pen)嘴向待成(cheng)(cheng)型的(de)(de)陶瓷粉(fen)床(chuang)上喷(pen)(pen)射结(jie)(jie)合(he)剂，喷(pen)(pen)射打印完一层后(hou)(hou)，粉(fen)料床(chuang)通过(guo)底部(bu)的(de)(de)活塞(sai)向下移动一点的(de)(de)距离(li)，并在粉(fen)料床(chuang)顶部(bu)添加(jia)新的(de)(de)粉(fen)料，然后(hou)(hou)再喷(pen)(pen)射打印结(jie)(jie)合(he)剂，重复(fu)此过(guo)程(cheng)，完成(cheng)(cheng)后(hou)(hou)除去未(wei)喷(pen)(pen)射结(jie)(jie)合(he)的(de)(de)粉(fen)料，即可得到要成(cheng)(cheng)型的(de)(de)立体工件。
粉(fen)末三维打(da)印成型
浆料三维打(da)印成(cheng)型，亦称(cheng)为喷墨打印成(cheng)型(Ceramic Ink Jet Printing)，是从粉末三维打印成(cheng)型发展(zhan)而来，同时结(jie)合了用于文字输出(chu)的喷墨打印机的原理(li)。该技术(shu)是将待(dai)成型的(de)陶瓷粉与各种有(you)机物和溶剂配制成陶瓷墨水，通过打印机将这种陶(tao)瓷(ci)墨水(shui)按计算机指令逐点逐层喷打到平(ping)台上(shang)，形成所要求(qiu)的尺(chi)寸和(he)形状的陶(tao)瓷(ci)坯体。
浆料三维(wei)打印成型(xing)（喷墨打印成型(xing)）
三、负(fu)复(fu)型技术
负复型技术(shu)(Negative Replica Method) ，亦(yi)称负增材(cai)技(ji)术(Negative AM Technology)，其工艺流(liu)程(cheng)为(wei)：首先使用(yong)增材(cai)技术制(zhi)备一个(ge)带有空腔的聚合(he)物模具，模(mo)(mo)具空腔的(de)尺寸与(yu)形状对应于陶(tao)瓷部(bu)件的(de)尺寸与(yu)形状，然后将流动性良好陶(tao)瓷浆料充入上述模(mo)(mo)腔中并实现固化，随后进行聚合(he)物模(mo)(mo)具的(de)烧失(shi)和(he)部(bu)件的(de)焙烧，最终获得所需的(de)陶(tao)瓷部(bu)件。
相比(bi)于使(shi)用(yong)增(zeng)材(cai)技术直接制备陶瓷部件，负复(fu)型技术虽然增(zeng)加了(le)一个模具的制备环节，但(dan)由于制造模具所用(yong)的材(cai)料为(wei)聚合物，而聚(ju)合物增材制造方面的(de)技术水平领先于陶瓷，这(zhei)意味着整体工(gong)序(xu)的简化，亦有利(li)于提高模具成型(xing)分辨率与部件表面质量。
原则上所有的(de)增材技术都可以用(yong)来制备(bei)负复型技术所需的(de)模具，然(ran)而(er)实际应(ying)用(yong)中使用(yong)最多的(de)技术主要(yao)包括(kuo)立(li)体(ti)光(guang)刻成(cheng)型、激(ji)光(guang)选区烧结成(cheng)型和熔融沉积成(cheng)型。聚合物模腔中陶瓷(ci)部(bu)件的成型方法一(yi)般采用(yong)凝胶注模法，与传统的热压注(zhu)法和灌(guan)浆(jiang)法相比，凝胶注(zhu)模法具有不依赖于设备、工(gong)艺简单灵(ling)活、充型性能好、浆(jiang)料粘结剂含(han)量低(di)、坯体(ti)湿(shi)强度高等优点，是一种近净成型复(fu)杂陶瓷的先进技术(shu)。
SL成(cheng)型的树脂模(mo)(a)和成(cheng)型后的陶瓷型芯部件(b)
四、充芯材(cai)料灌(guan)浆成型技术
上述成型(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)工(gong)艺所制(zhi)(zhi)备的陶瓷型(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)芯，或为预制(zhi)(zhi)型(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)芯(Precast Ceramic Core)，或为带有型(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)芯结构的一(yi)体(ti)化(hua)型(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)壳。然(ran)而(er)，预制(zhi)(zhi)型(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)芯价格昂贵，且(qie)对(dui)于某些内腔尺(chi)寸较(jiao)大且(qie)壁厚较(jiao)薄的部(bu)位，蜡(la)模(mo)无法承受(shou)住预制(zhi)(zhi)型(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)芯的较(jiao)大重量，极易导(dao)致蜡(la)模(mo)变形甚至破碎(sui)；而(er)由于铸件尺(chi)寸较(jiao)大，亦无法通过负复型(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)技术(shu)成型(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)一(yi)体(ti)化(hua)型(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)壳。
内腔(qiang)尺寸(cun)大壁(bi)厚薄(bo)的发动(dong)机机匣(xia)型壳
基于这种情况(kuang)，可以选择将整体(ti)熔模(mo)先涂挂(gua)若干层(ceng)型(xing)(xing)壳(qiao)，在(zai)内(nei)腔(qiang)(qiang)型(xing)(xing)壳(qiao)的(de)(de)厚度(du)不足以造成砂(sha)料(liao)搭桥前，用(yong)灌浆成型(xing)(xing)的(de)(de)方(fang)法(fa)将陶(tao)(tao)瓷浆料(liao)填(tian)(tian)充至型(xing)(xing)壳(qiao)空腔(qiang)(qiang)中，填(tian)(tian)充至型(xing)(xing)壳(qiao)内(nei)腔(qiang)(qiang)的(de)(de)陶(tao)(tao)瓷材料(liao)即为充芯材料(liao)(Core Packing)，充芯材料(liao)与包裹(guo)在(zai)其(qi)外的(de)(de)型(xing)(xing)壳(qiao)组合(he)在(zai)一起，共(gong)同发挥陶(tao)(tao)瓷型(xing)(xing)芯的(de)(de)作用(yong)。
灌(guan)浆成型要求充芯材料在(zai)充型前应为流动(dong)性良好的(de)液态浆料，且具有延迟固化性。充(chong)芯(xin)(xin)(xin)材料(liao)被包裹在型壳中，浇注过(guo)程中不与(yu)金属液直接(jie)接(jie)触，因(yin)此，在材料(liao)耐火度(du)、化学稳定性等(deng)方面的要(yao)求比预制型芯(xin)(xin)(xin)及(ji)一(yi)体(ti)化型壳要(yao)低，然(ran)而对(dui)充(chong)芯(xin)(xin)(xin)材料(liao)的湿坯强(qiang)度(du)提出(chu)了(le)更高要(yao)求。充(chong)芯(xin)(xin)(xin)材料(liao)固化在较为封闭的型壳内(nei)腔，极难干(gan)燥(zao)，这就(jiu)需要(yao)充(chong)芯(xin)(xin)(xin)材料(liao)具(ju)有足(zu)够的自硬化性能。
总结
陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)型(xing)(xing)(xing)芯(xin)成(cheng)(cheng)型(xing)(xing)(xing)技术(shu)(shu)(shu)相对迟滞的(de)(de)发展(zhan)(zhan)，已(yi)成(cheng)(cheng)为限制高性能陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)型(xing)(xing)(xing)芯(xin)产业化(hua)的(de)(de)瓶颈。注射冷(leng)冻成(cheng)(cheng)型(xing)(xing)(xing)、无(wu)模(mo)成(cheng)(cheng)型(xing)(xing)(xing)、负复型(xing)(xing)(xing)和充芯(xin)材料(liao)灌浆(jiang)成(cheng)(cheng)型(xing)(xing)(xing)等(deng)先进陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)成(cheng)(cheng)型(xing)(xing)(xing)技术(shu)(shu)(shu)的(de)(de)发展(zhan)(zhan)为陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)型(xing)(xing)(xing)芯(xin)的(de)(de)生产开(kai)拓了新的(de)(de)思路(lu)。特(te)别是无(wu)模(mo)成(cheng)(cheng)型(xing)(xing)(xing)技术(shu)(shu)(shu)的(de)(de)发展(zhan)(zhan),使陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)型(xing)(xing)(xing)芯(xin)的(de)(de)成(cheng)(cheng)型(xing)(xing)(xing)过程更加(jia)集成(cheng)(cheng)化(hua)、智能化(hua)和高效化(hua)，与传统的(de)(de)诸多成(cheng)(cheng)型(xing)(xing)(xing)方法(fa)相比表现出极(ji)大的(de)(de)优势。然而(er)，无(wu)模(mo)成(cheng)(cheng)型(xing)(xing)(xing)技术(shu)(shu)(shu)亦存在设(she)备昂贵、软件封(feng)闭、材料(liao)昂贵、成(cheng)(cheng)型(xing)(xing)(xing)性能不理想等(deng)不足。因此，陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)型(xing)(xing)(xing)芯(xin)无(wu)模(mo)成(cheng)(cheng)型(xing)(xing)(xing)技术(shu)(shu)(shu)要实现成(cheng)(cheng)熟的(de)(de)工业化(hua)应用(yong)仍任(ren)重道远。
参考来源：
1. 高温合金精(jing)密铸造用陶(tao)瓷型(xing)芯成型(xing)技(ji)术研究(jiu)进展，于德(de)海、王飞、何博(bo)、陆敏(min)（现代(dai)技(ji)术陶(tao)瓷）；
2. 高温合金空心(xin)叶片精(jing)密(mi)铸造用陶瓷型(xing)芯与型(xing)壳的(de)研究(jiu)现状，康(kang)海峰、李飞(fei)、赵彦(yan)杰、徐华苹、王(wang)飞(fei)、吕和平、孙宝德（材料工程）；
3. 高(gao)温合(he)金空心叶片用陶瓷型芯的研究进展，王飞、李飞、刘河(he)洲(zhou)、王俊、孙宝德（航空制造技(ji)术(shu)）；
4. 单晶叶片铸造(zao)用氧(yang)化铝基陶瓷(ci)型芯(xin)研究进展，赵(zhao)童刚、王(wang)秀峰(feng)、王(wang)莉(li)丽、江红涛（中国陶瓷(ci)）。
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