基于立体光刻3D打印高精度氧化铝基陶瓷型芯的技术研究

As aircraft engine parts, hollow blades are the essential components.The most critical process of casting hollow blades is the manufacturing of the ceramic core, which can form its complex inner cavity, it is related to acountry’s overall strength of aviation industry. Currently, the production ofceramic cores mostly adopts the traditional injection molding process. By thismethod, it takes not only longer period and high cost, but also is not conductiveto new production development and research. Therefore, this project is based onceramic stereolithography 3D printing technology to achieve high precision ceramiccores with complex structure forming, and combined with characterization methods(FTIR, TGA, thermal expansion instrument and SEM), post-processing method(debinding and sintering), and mechanical tests as well, which can determine theoptimal formula of ceramic slurry and printing parameters (layer thickness, lightintensity, curing rate). This project aims to improve the strength of ceramic coreby the enhancement of solid content of ceramic slurry and the dopants in order tomeet the needs of industrial application. In addition, the reason of crackformation can be further analyzed and the sintering mechanism of ceramic cores and.the secondary phase strengthening mechanism can be summarized.

空心叶片作为航空发动机零件中最重要的部件，其制造的关键技术之一是形成其复杂结构内腔的陶瓷型芯，这关系到一个国家航空事业的整体实力。目前陶瓷型芯绝大多数是采用传统注塑成型工艺制造，此工艺不仅制造周期长、成本费用高，而且非常不利于新型陶瓷型芯开发与研究。为此，本项目基于立体光刻陶瓷3D打印技术实现高精度复杂结构的陶瓷型芯成型，并结合傅里叶变换红外光谱技术（FTIR）、热重分析仪(TGA)、热膨胀仪和扫描电子显微镜(SEM)等表征手段，后处理工艺（脱脂和烧结）以及性能测试来确定陶瓷浆料的最优配方和打印参数（打印层厚、光照强度、固化速率等）。本项目旨在通过提高陶瓷浆料的固含量和掺杂第二相颗粒来提高陶瓷型芯的强度以便满足工业应用的需求，进一步分析裂纹形成的原因并找到减少裂纹的方法，同时观察微观结构和进行理论计算从而总结出陶瓷型芯的烧结机理以及第二相对陶瓷型芯性能影响的机理。

在航空工业中，提高涡轮叶片冷却系统的效率能够强化涡轮叶片的承温能力，从而优化发动机的推力输出。冷却气体流过涡轮叶片内部复杂的空心流道实现对涡轮叶片的冷却。目前实际应用中广泛使用陶瓷芯制造叶片内部的空腔结构。对于新一代高性能镍基单晶涡轮叶片而言，其在熔模铸造时具有较高的浇铸温度(>1500℃)，所以氧化硅基型芯较低的使用温度(<1300℃)以及较差的化学稳定性使得其无法应用于此类叶片浇铸。而氧化铝具有高熔点、稳定的高温性能和优异的高温化学稳定性，可用于铸造单晶高温合金叶片。氧化铝基型芯需满足以下四点应用要求：1、型芯的烧结温度必须大于浇铸温度(>1500℃)；2、型芯的孔隙率需达到30%左右；3、型芯的线收缩率需低于5%；4、型芯需要适宜的弯曲强度(>15MPa)。随着气冷结构设计的发展，型芯的结构也愈加复杂，加工配套模具将产生高昂成本及过长的制备周期，因此高精度陶瓷立体光刻技术作为一种无模制备技术得到了广泛关注。传统工艺限制收缩的方法是添加粗颗粒(50-200μm)，但这种粒径颗粒将迫使立体光刻的打印层厚提高到100μm以上，从而降低了打印精度，所以传统的材料配方无法直接应用于立体光刻技术。本工作的主要目的是研究配制高固含量陶瓷膏体（体积比65%），能用于立体光刻的材料级配配方并在超过1500℃的烧结温度下制备出满足应用要求的氧化铝型芯。采用2μm粗颗粒以及500nm细颗粒级配限制收缩，通过造孔剂保证孔隙率。同时，我们发现细颗粒在烧结过程中转变为片状颗粒，片状颗粒会形成独特的三维网络结构并在其中产生孔隙，进一步维持了孔隙率。比如，粗细颗粒比例3:1的样品抗弯强度为28.2MPa，在1650℃下保持4小时后的孔隙率为30.07%，线收缩率为3.98%，满足了氧化铝陶瓷型芯的应用要求。