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邹小姐(jie)：13326633089 -
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航空发(fa)动机(ji)结(jie)构件(jian)的(de)(de)(de)工作温(wen)度高、温(wen)差变(bian)化剧烈、工作环境恶劣(lie)、受力情(qing)况(kuang)复杂，且(qie)随着结(jie)构、功能(neng)一体化要(yao)求的(de)(de)(de)提出，其(qi)结(jie)构变(bian)得更(geng)复杂、壁厚(hou)更(geng)薄，这对其(qi)制造(zao)水平提出了越(yue)(yue)来越(yue)(yue)高的(de)(de)(de)要(yao)求。熔模(mo)精密铸(zhu)造(zao)技术是(shi)目前国际上生(sheng)产航空发(fa)动机(ji)部件(jian)的(de)(de)(de)主流(liu)技术，其(qi)中陶瓷型芯是(shi)制造(zao)涡轮叶片、机(ji)匣类(lei)承力件(jian)等带有空心结(jie)构的(de)(de)(de)熔模(mo)精密铸(zhu)件(jian)的(de)(de)(de)转接件(jian)，其(qi)作用是(shi)形成(cheng)铸(zhu)件(jian)的(de)(de)(de)内腔形状，并与(yu)型壳(qiao)共同保证铸(zhu)件(jian)壁厚(hou)的(de)(de)(de)尺寸精度。
随着(zhe)熔模(mo)铸造朝着(zhe)“精密、薄壁、无余量”的(de)(de)(de)方向发展，陶(tao)瓷型(xing)芯的(de)(de)(de)性(xing)能及工程可靠性(xing)面临着(zhe)挑战。传统的(de)(de)(de)成型(xing)技术(shu)存在废品率高、生产周期(qi)长、复杂(za)度(du)和尺寸精度(du)受限等问题，因此目前高性(xing)能陶(tao)瓷型(xing)芯的(de)(de)(de)先进成型(xing)技术(shu)的(de)(de)(de)研究已逐渐成为陶(tao)瓷型(xing)芯制备工艺科(ke)学研究的(de)(de)(de)主(zhu)流(liu)。
关于陶瓷型芯的介绍，更(geng)多(duo)内容可以(yi)阅(yue)读(du)以(yi)下文章：
陶瓷型(xing)(xing)芯先进成型(xing)(xing)技(ji)术(shu)
一、注(zhu)射冷冻(dong)成型技术(shu)
注(zhu)射冷冻成(cheng)(cheng)型(xing)工艺是在(zai)冷冻干燥技术基础上发展而(er)来的(de)一种制备(bei)具(ju)有(you)定向直孔结(jie)构多孔陶瓷的(de)成(cheng)(cheng)型(xing)工艺。它是指在(zai)低温下(xia)使浆料冻结(jie)，在(zai)对(dui)冻结(jie)坯体进行(xing)解冻的(de)过程中(zhong)，利用浆(jiang)料中胶凝剂的胶凝构成网络骨架使坯体形状得以固定的一(yi)种(zhong)成型方法。
注(zhu)射(she)冷冻成(cheng)型(xing)工(gong)艺可(ke)以实现陶瓷近净尺寸成(cheng)型(xing)，按其工(gong)艺途径可(ke)分为两种(zhong)：一种(zhong)是通(tong)过陶瓷(ci)浆料在模(mo)具(ju)中冷(leng)冻使浆料凝固，得到一定(ding)形状的(de)(de)坯(pi)体(ti)，然后用冷冻干燥(zao)的(de)(de)方法排(pai)除液相(xiang)介(jie)质，获得干燥(zao)坯(pi)体(ti)；另一种(zhong)则是(shi)将粉料(liao)与硅(gui)溶胶(jiao)混合制(zhi)备浆料(liao)，成(cheng)型后通过(guo)低温(wen)冷冻使硅溶胶凝胶化得到固化的(de)坯体(ti)，然后将坯体(ti)升温(wen)到室(shi)温(wen)下进行干燥(zao)。
注射冷(leng)冻成型工艺(yi)流(liu)程(cheng)图
这(zhei)种成型(xing)方法浆(jiang)料中黏合剂(ji)用量少，干燥时无需(xu)真空装置，预(yu)烧时不需(xu)要填(tian)料，烧结时可快速(su)升温。同时，浆(jiang)料中易于加(jia)入陶瓷晶须或纤维(wei)等(deng)添(tian)加(jia)剂(ji)，使陶瓷型(xing)芯的烧结收缩减小，尺寸精度提高(gao)，高(gao)温性能(neng)改(gai)善。
二、无(wu)模(mo)成型技术
传统的(de)(de)成(cheng)型(xing)(xing)方法无法摆脱模(mo)(mo)具对陶瓷型(xing)(xing)芯(xin)(xin)生产(chan)的(de)(de)限制(zhi)，难以(yi)满(man)足(zu)不断(duan)缩短的(de)(de)产(chan)品更新周期和(he)频(pin)繁的(de)(de)型(xing)(xing)芯(xin)(xin)产(chan)品试制(zhi)与改型(xing)(xing)的(de)(de)需要，亦(yi)难以(yi)满(man)足(zu)型(xing)(xing)芯(xin)(xin)形(xing)状更复杂、结构更精(jing)细的(de)(de)要求。无模(mo)(mo)成(cheng)型(xing)(xing)技(ji)术(Solid Free-forming Fabrication,SFF)的(de)(de)发展，为陶瓷型(xing)(xing)芯(xin)(xin)的(de)(de)成(cheng)型(xing)(xing)开辟(pi)了(le)一条新途径，使型(xing)壳与型(xing)芯的一体化(hua)快速成型(xing)成为可(ke)能，彻(che)底(di)解决了陶(tao)瓷型(xing)芯(xin)在(zai)型(xing)壳内定位(wei)的(de)牢固性(xing)和精确性(xing)等(deng)难(nan)题，这(zhei)对(dui)提(ti)高铸(zhu)件内腔的(de)尺寸精度和形位(wei)精度意义重大。
目前，主要的陶瓷(ci)无模成型技术包(bao)括：激光选区烧结(jie)成型(Selective Laser Sintering,SLS)、立体光刻成型(Stereo Lithography,SL)、分层实体成型(Laminated Object Manufacturing,LOM)、熔融沉积成(cheng)型(xing)(Fused Deposition Modeling,FDM)、三维打印成(cheng)型(xing)(Three Dimensional Printing,3DP)等，这(zhei)些(xie)陶(tao)瓷(ci)(ci)无(wu)模(mo)(mo)成(cheng)型技(ji)术(shu)具(ju)有各自(zi)不同的工艺特点。并不是所有陶(tao)瓷(ci)(ci)无(wu)模(mo)(mo)成(cheng)型技(ji)术(shu)均(jun)适用(yong)于陶(tao)瓷(ci)(ci)型芯(xin)的生(sheng)产，目前应用(yong)于陶(tao)瓷(ci)(ci)型芯(xin)制备的陶(tao)瓷(ci)(ci)无(wu)模(mo)(mo)成(cheng)型技(ji)术(shu)主要包括立体(ti)光刻成型(xing)(SL)和(he)三维打印(yin)成型(xing)(3DP)。
1.立体光刻成(cheng)型
立体(ti)光(guang)刻成(cheng)(cheng)(cheng)型(SL),又称为立体(ti)印刷成(cheng)(cheng)(cheng)型或(huo)光(guang)敏固(gu)化成(cheng)(cheng)(cheng)型，是(shi)出现最(zui)早和应用最(zui)广泛的快速原型技术。立体(ti)光(guang)刻成(cheng)(cheng)(cheng)型在其应用初(chu)期主要用于(yu)高分子材料的成(cheng)(cheng)(cheng)型，后来亦用于(yu)陶瓷(ci)成(cheng)(cheng)(cheng)型。陶瓷(ci)立体(ti)光(guang)刻成(cheng)(cheng)(cheng)型的基本过程是(shi)将陶瓷(ci)粉(fen)体与可光固(gu)化的树脂混合制成陶瓷(ci)浆料，铺展在工作(zuo)平台上。通(tong)过(guo)计(ji)算机控制紫外(wai)线选择性(xing)照射(she)浆(jiang)料(liao)表(biao)面，陶瓷料(liao)浆(jiang)通(tong)过(guo)光(guang)聚(ju)合(he)形成(cheng)高(gao)分子聚(ju)合(he)体(ti)结合(he)的陶瓷坯体(ti)。通(tong)过(guo)控制工作(zuo)平台的移动，可使新的一层(ceng)浆(jiang)料(liao)流向(xiang)已固化部(bu)分表(biao)面，如此(ci)反复循环，形成(cheng)所需的陶瓷坯体(ti)。
立(li)体光(guang)刻成型示意(yi)图
用于立体光刻成型的(de)陶(tao)瓷(ci)浆料需有较高的(de)固体含(han)量(liang)40%~60%和适(shi)宜(yi)的(de)粘度(du)(0.1~110 Pa. s @100 s-1)。陶瓷颗粒应在浆(jiang)料(liao)中(zhong)分散均匀，对浆(jiang)料(liao)的(de)光学(xue)性能也有一(yi)定的(de)要求，需选择(ze)合理的(de)光聚合引发剂(ji)，使其(qi)能(neng)在特定的(de)光波(bo)段照射(she)下固化(hua)，且要(yao)求浆料有足(zu)够的(de)紫外线透过能(neng)力(li)。
2.三维打印成型
三(san)维打印成(cheng)型(3DP)技术按(an)照原料状态，可分为两类：粉末三(san)维打印成(cheng)型(P-3DP)和浆料三(san)维打印成(cheng)型(S-3DP)。
粉末三维打(da)印成型是(shi)利用喷(pen)嘴向(xiang)待成型(xing)的(de)陶瓷(ci)粉(fen)(fen)(fen)床(chuang)(chuang)上喷(pen)射(she)结(jie)合(he)剂，喷(pen)射(she)打印(yin)完(wan)一层(ceng)后，粉(fen)(fen)(fen)料床(chuang)(chuang)通过底部的(de)活塞(sai)向(xiang)下(xia)移(yi)动(dong)一点(dian)的(de)距离，并在粉(fen)(fen)(fen)料床(chuang)(chuang)顶部添加新的(de)粉(fen)(fen)(fen)料，然后再喷(pen)射(she)打印(yin)结(jie)合(he)剂，重复此过程，完(wan)成后除去未喷(pen)射(she)结(jie)合(he)的(de)粉(fen)(fen)(fen)料，即可得到要成型(xing)的(de)立体(ti)工件(jian)。
粉末(mo)三维打印成型
浆(jiang)料三维打印成(cheng)型(xing)，亦称为(wei)喷墨打(da)印成型(Ceramic Ink Jet Printing)，是从粉(fen)末三维打(da)印成型发展(zhan)而来(lai)，同时(shi)结合(he)了用于(yu)文(wen)字(zi)输出的喷墨打(da)印机(ji)的原理(li)。该技术是将待(dai)成型(xing)的陶瓷粉与(yu)各种有(you)机物和(he)溶(rong)剂配(pei)制成陶瓷墨(mo)水，通过打(da)印机将这种陶瓷墨水按计(ji)算(suan)机指(zhi)令逐(zhu)点(dian)逐(zhu)层喷(pen)打(da)到(dao)平台(tai)上，形(xing)成(cheng)所要(yao)求的尺寸和(he)形(xing)状的陶瓷坯体(ti)。
浆料三维(wei)打(da)印成(cheng)型（喷墨打(da)印成(cheng)型）
三(san)、负复型技术
负复型技术(shu)(Negative Replica Method) ，亦(yi)称负增材技(ji)术(shu)(Negative AM Technology)，其(qi)工(gong)艺流程(cheng)为：首先使用增材(cai)技术制(zhi)备(bei)一(yi)个带有空腔(qiang)的聚(ju)合物模具，模(mo)具空(kong)腔的(de)(de)尺(chi)(chi)寸与(yu)形(xing)状(zhuang)对(dui)应于陶瓷(ci)部(bu)件(jian)的(de)(de)尺(chi)(chi)寸与(yu)形(xing)状(zhuang)，然后将流(liu)动性良好陶瓷(ci)浆料充入上述模(mo)腔中并实现(xian)固化，随后进行聚(ju)合物模(mo)具的(de)(de)烧(shao)失和部(bu)件(jian)的(de)(de)焙烧(shao)，最终获得所需的(de)(de)陶瓷(ci)部(bu)件(jian)。
相比于使(shi)用增(zeng)材(cai)技术直接制(zhi)备陶(tao)瓷部(bu)件，负复型技术虽然(ran)增(zeng)加了一个模(mo)具的制(zhi)备环节，但由于制(zhi)造模(mo)具所用的材(cai)料为聚(ju)合物，而聚合物增材制造方面(mian)的技术水(shui)平领先于陶瓷(ci)，这意(yi)味着整(zheng)体工(gong)序的(de)简化，亦有(you)利于提高模具成型分辨率与部件表面质量(liang)。
原则(ze)上所有的增材技术(shu)(shu)都可以用来制备(bei)负复型技术(shu)(shu)所需(xu)的模具，然而实(shi)际应用中使(shi)用最(zui)多的技术(shu)(shu)主要包(bao)括立(li)体(ti)光刻成(cheng)型、激(ji)光选区烧(shao)结成(cheng)型和熔融沉积成(cheng)型。聚合(he)物模腔中陶瓷部件的成(cheng)型方法(fa)一(yi)般采用凝胶注(zhu)模法，与传统的热压注法和灌浆(jiang)法相比，凝胶(jiao)注模(mo)法具(ju)有(you)不依赖于设备(bei)、工(gong)艺简(jian)单(dan)灵活、充型性能好、浆(jiang)料粘(zhan)结剂(ji)含(han)量低(di)、坯体(ti)湿强(qiang)度高(gao)等(deng)优点(dian)，是(shi)一种近(jin)净成(cheng)型复杂陶瓷的先进(jin)技(ji)术。
SL成型(xing)的树脂模(a)和成型(xing)后的陶瓷型(xing)芯(xin)部件(jian)(b)
四、充(chong)芯(xin)材(cai)料(liao)灌(guan)浆成型技术
上述成(cheng)型(xing)工艺所制备(bei)的(de)(de)陶(tao)瓷型(xing)芯，或为(wei)预制型(xing)芯(Precast Ceramic Core)，或为(wei)带有(you)型(xing)芯结构的(de)(de)一体(ti)化(hua)型(xing)壳。然(ran)而，预制型(xing)芯价格昂贵，且对于某些内(nei)腔(qiang)尺(chi)寸较大且壁厚较薄的(de)(de)部位(wei)，蜡模无法承受住(zhu)预制型(xing)芯的(de)(de)较大重量，极易导致蜡模变形甚至破碎(sui)；而由于铸件尺(chi)寸较大，亦无法通过(guo)负复型(xing)技术成(cheng)型(xing)一体(ti)化(hua)型(xing)壳。
内(nei)腔尺(chi)寸大壁厚薄的(de)发动机机匣(xia)型壳
基于这种(zhong)情况，可以(yi)选择将(jiang)整(zheng)体(ti)熔模先(xian)涂挂(gua)若干层型(xing)(xing)壳(qiao)，在(zai)内(nei)腔型(xing)(xing)壳(qiao)的(de)厚(hou)度(du)不(bu)足(zu)以(yi)造成砂料(liao)(liao)(liao)搭(da)桥(qiao)前，用(yong)灌浆成型(xing)(xing)的(de)方法将(jiang)陶(tao)瓷浆料(liao)(liao)(liao)填(tian)充(chong)(chong)至型(xing)(xing)壳(qiao)空腔中，填(tian)充(chong)(chong)至型(xing)(xing)壳(qiao)内(nei)腔的(de)陶(tao)瓷材(cai)料(liao)(liao)(liao)即为充(chong)(chong)芯材(cai)料(liao)(liao)(liao)(Core Packing)，充(chong)(chong)芯材(cai)料(liao)(liao)(liao)与包裹在(zai)其(qi)外(wai)的(de)型(xing)(xing)壳(qiao)组合在(zai)一起(qi)，共同发挥陶(tao)瓷型(xing)(xing)芯的(de)作用(yong)。
灌浆成型要求(qiu)充(chong)芯材料(liao)在充(chong)型前应(ying)为流动(dong)性良好的液(ye)态浆料，且(qie)具有延迟固化性。充(chong)(chong)芯材(cai)(cai)料被包(bao)裹(guo)在型(xing)壳中，浇注过程中不与金(jin)属液直接(jie)接(jie)触(chu)，因此，在材(cai)(cai)料耐(nai)火度、化学稳定性等方面(mian)的(de)(de)要求(qiu)比预制型(xing)芯及一体化型(xing)壳要低(di)，然而(er)对充(chong)(chong)芯材(cai)(cai)料的(de)(de)湿坯(pi)强度提(ti)出了更高要求(qiu)。充(chong)(chong)芯材(cai)(cai)料固化在较为封闭的(de)(de)型(xing)壳内腔，极难干燥，这就(jiu)需要充(chong)(chong)芯材(cai)(cai)料具有足够的(de)(de)自硬化(hua)性能。
总结
陶瓷型(xing)芯(xin)(xin)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)型(xing)技术(shu)相对迟滞的(de)发(fa)(fa)(fa)展(zhan)(zhan)，已(yi)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)为限(xian)制高性(xing)能陶瓷型(xing)芯(xin)(xin)产(chan)业化(hua)的(de)瓶颈。注射冷冻成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)型(xing)、无(wu)(wu)模成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)型(xing)、负复型(xing)和充(chong)芯(xin)(xin)材料灌浆成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)型(xing)等先进陶瓷成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)型(xing)技术(shu)的(de)发(fa)(fa)(fa)展(zhan)(zhan)为陶瓷型(xing)芯(xin)(xin)的(de)生(sheng)产(chan)开拓(tuo)了新的(de)思路。特别是无(wu)(wu)模成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)型(xing)技术(shu)的(de)发(fa)(fa)(fa)展(zhan)(zhan),使陶瓷型(xing)芯(xin)(xin)的(de)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)型(xing)过(guo)程更(geng)加(jia)集成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)化(hua)、智能化(hua)和高效(xiao)化(hua)，与传统的(de)诸多成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)型(xing)方法相比表现(xian)(xian)出极大的(de)优(you)势(shi)。然而，无(wu)(wu)模成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)型(xing)技术(shu)亦存在设备昂贵、软件封闭(bi)、材料昂贵、成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)型(xing)性(xing)能不(bu)(bu)理想等不(bu)(bu)足(zu)。因此，陶瓷型(xing)芯(xin)(xin)无(wu)(wu)模成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)型(xing)技术(shu)要实现(xian)(xian)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)熟的(de)工业化(hua)应用仍任重道远。
参考(kao)来源：
1. 高温(wen)合金精密(mi)铸造(zao)用陶(tao)瓷(ci)(ci)型芯成型技(ji)术研究进展，于德海(hai)、王飞、何博、陆敏（现代技(ji)术陶(tao)瓷(ci)(ci)）；
2. 高温(wen)合金空心叶(ye)片精密铸(zhu)造用陶瓷型芯与(yu)型壳(qiao)的研究现状，康海峰、李飞、赵(zhao)彦杰、徐华苹(ping)、王(wang)飞、吕和平(ping)、孙宝德（材料工程）；
3. 高温合金空(kong)心(xin)叶(ye)片用(yong)陶瓷(ci)型芯的研究进(jin)展，王飞(fei)、李(li)飞(fei)、刘(liu)河洲、王俊、孙宝德（航空(kong)制造技术）；
4. 单晶叶片(pian)铸造用(yong)氧化铝基陶瓷(ci)型芯研究进(jin)展，赵(zhao)童刚(gang)、王(wang)秀峰、王(wang)莉丽、江红涛(tao)（中国陶瓷(ci)）。
粉体圈小吉
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