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(nèi)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(shù)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(shù)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(chǔ)骨料的陶瓷粉混制的陶瓷漿料，通過DLP增材制造設(shè)備進行陶瓷型芯坯體制備，再經(jīng)過脫脂燒結(jié)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(shù)（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(shù)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(jié)后在實際工藝條件下進行澆注和脫芯實驗。

重要結(jié)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(guān)。

刮刀內(nèi)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(chǎn)生影響。選擇合適的打印參數(shù)，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(jié)后性能如表1所示。最終利用燒結(jié)后的陶瓷型芯進行單晶澆注和脫芯驗證，鑄造出內(nèi)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(jié)論
(1) 采用陶瓷光固化增材制造技術(shù)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(nèi)的全流程工藝驗證，證明了倒置式DLP光固化增材制造技術(shù)在制備大尺寸復雜多層陶瓷型芯具有現(xiàn)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?qū)е屡骷冃危_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(guān)，通過控制這些參數(shù)可精確控制漿料涂層厚度，并實現(xiàn)25 μm薄漿料涂層，為更高精度坯件的成形打下基礎(chǔ)。

前景與應用
該技術(shù)所制備的陶瓷型芯可應用于鑄造具有復雜多層內(nèi)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.