復雜陶瓷型芯增材制造及澆注工藝驗證

來源：機械工程學報

針對大尺寸多層內腔空心渦輪葉片用復雜陶瓷型芯，團隊研究了基于光固化技術的陶瓷型芯增材制造方法，揭示打印缺陷的形成機制和漿料涂層厚度的影響因素，制備的型芯進行單晶澆注以驗證該技術路線的應用可行性。

試驗方法
采用光敏樹脂與以熔融石英粉為基礎骨料的陶瓷粉混制的陶瓷漿料，通過DLP增材制造設備進行陶瓷型芯坯體制備，再經過脫脂燒結工藝獲得可用于實際澆注的陶瓷型芯。熔融石英粉體采用400目和1000目的粉體進行級配。對打印過程的模型的受力分析建立下壓力模型，揭示“錯層”和“壓潰”兩種打印缺陷的形成機制；研究刮刀參數（漿料高度、刮刀間隙、鋪料速度）對漿料涂層厚度的影響，得到鋪料工藝參數參考。利用三維掃描儀對打印的復雜陶瓷型芯坯體進行精度檢測，燒結后在實際工藝條件下進行澆注和脫芯實驗。

重要結果
打印時坯件下降過程擠壓醬料瓶時受到阻力，阻力大小如公式（1）所示，受到漿料黏度、下降速度、鋪料厚度、曝光截面直徑和切片厚度相關。

刮刀內漿料高度低且刮刀速度為10 mm/s時，可獲得最小漿料涂層厚度25 μm；隨著刮刀速度和刮刀高度的增加，鋪料厚度鑄件增加，當刮刀高度大于300 μm時，刮刀速度不再對鋪料厚度產生影響。選擇合適的打印參數，打印的尺寸為高120 mm、寬80 mm的多層復雜陶瓷型芯坯體，其尺寸誤差＜0.2 mm。陶瓷型芯燒結后性能如表1所示。最終利用燒結后的陶瓷型芯進行單晶澆注和脫芯驗證，鑄造出內腔完整且無殘留的單晶空心葉片，型芯在強度、脫除性、表面粗糙度方面均可滿足工藝要求。

結論
(1) 采用陶瓷光固化增材制造技術制備出大尺寸多層復雜陶瓷型芯，并通過了包括單晶葉片澆注和脫芯在內的全流程工藝驗證，證明了倒置式DLP光固化增材制造技術在制備大尺寸復雜多層陶瓷型芯具有現實可行性。

(2) 坯件所受壓力過大造成錯層缺陷和壓潰缺陷，或導致坯件變形，精確控制漿料涂層厚度，減少下壓壓力，能夠保證坯件精度。

(3) 漿料涂層厚度與加料形式、刮刀間隙高度、刮刀速度有關，通過控制這些參數可精確控制漿料涂層厚度，并實現25 μm薄漿料涂層，為更高精度坯件的成形打下基礎。

前景與應用
該技術所制備的陶瓷型芯可應用于鑄造具有復雜多層內腔的單晶空心渦輪葉片，同時對其他復雜精密鑄造用型芯及鑄型有潛在應用廣價值。

引用論文
胡可輝, 呂志剛, 陸寬, 梁靜靜. 復雜陶瓷型芯增材制造及澆注工藝驗證[J]. 機械工程學報, 2021, 57(3): 227-234.

HU Kehui, Lü Zhigang, LU Kuan, LIANG Jingjing. Additive Manufacturing of Complex Ceramic Cores and Verification of Casting Process[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2021, 57(3): 227-234.