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鄒小姐：13326633089 -
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航空發動機結構件的工作溫度高、溫差變化劇烈、工作環境惡劣、受力情況復雜，且隨著結構、功能一體化要求的提出，其結構變得更復雜、壁厚更薄，這對其制造水平提出了越來越高的要求。熔模精密鑄造技術是目前國際上生產航空發動機部件的主流技術，其中陶瓷型芯是制造渦輪葉片、機匣類承力件等帶有空心結構的熔模精密鑄件的轉接件，其作用是形成鑄件的內腔形狀，并與型殼共同保證鑄件壁厚的尺寸精度。
隨著熔模鑄造朝著“精密、薄壁、無余量”的方向發展，陶瓷型芯的性能及工程可靠性面臨著挑戰。傳統的成型技術存在廢品率高、生產周期長、復雜度和尺寸精度受限等問題，因此目前高性能陶瓷型芯的先進成型技術的研究已逐漸成為陶瓷型芯制備工藝科學研究的主流。
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陶瓷型芯先進成型技術
一、注射冷凍成型技術
注射冷凍成型工藝是在冷凍干燥技術基礎上發展而來的一種制備具有定向直孔結構多孔陶瓷的成型工藝。它是指在低溫下使漿料凍結，在對凍結坯體進行解凍的過程中，利用漿料中膠凝劑的膠凝構成網絡骨架使坯體形狀得以固定的一種成型方法。
注射冷凍成型工藝可以實現陶瓷近凈尺寸成型，按其工藝途徑可分為兩種：一種是通過陶瓷漿料在模具中冷凍使漿料凝固，得到一定形狀的坯體，然后用冷凍干燥的方法排除液相介質，獲得干燥坯體；另一種則是將粉料與硅溶膠混合制備漿料，成型后通過低溫冷凍使硅溶膠凝膠化得到固化的坯體，然后將坯體升溫到室溫下進行干燥。
注射冷凍成型工藝流程圖
這種成型方法漿料中黏合劑用量少，干燥時無需真空裝置，預燒時不需要填料，燒結時可快速升溫。同時，漿料中易于加入陶瓷晶須或纖維等添加劑，使陶瓷型芯的燒結收縮減小，尺寸精度提高，高溫性能改善。
二、無模成型技術
傳統的成型方法無法擺脫模具對陶瓷型芯生產的限制，難以滿足不斷縮短的產品更新周期和頻繁的型芯產品試制與改型的需要，亦難以滿足型芯形狀更復雜、結構更精細的要求。無模成型技術(Solid Free-forming Fabrication,SFF)的發展，為陶瓷型芯的成型開辟了一條新途徑，使型殼與型芯的一體化快速成型成為可能，徹底解決了陶瓷型芯在型殼內定位的牢固性和精確性等難題，這對提高鑄件內腔的尺寸精度和形位精度意義重大。
目前，主要的陶瓷無模成型技術包括：激光選區燒結成型(Selective Laser Sintering,SLS)、立體光刻成型(Stereo Lithography,SL)、分層實體成型(Laminated Object Manufacturing,LOM)、熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling,FDM)、三維打印成型(Three Dimensional Printing,3DP)等，這些陶瓷無模成型技術具有各自不同的工藝特點。并不是所有陶瓷無模成型技術均適用于陶瓷型芯的生產，目前應用于陶瓷型芯制備的陶瓷無模成型技術主要包括立體光刻成型(SL)和三維打印成型(3DP)。
1.立體光刻成型
立體光刻成型(SL),又稱為立體印刷成型或光敏固化成型，是出現最早和應用最廣泛的快速原型技術。立體光刻成型在其應用初期主要用于高分子材料的成型，后來亦用于陶瓷成型。陶瓷立體光刻成型的基本過程是將陶瓷粉體與可光固化的樹脂混合制成陶瓷漿料，鋪展在工作平臺上。通過計算機控制紫外線選擇性照射漿料表面，陶瓷料漿通過光聚合形成高分子聚合體結合的陶瓷坯體。通過控制工作平臺的移動，可使新的一層漿料流向已固化部分表面，如此反復循環，形成所需的陶瓷坯體。
立體光刻成型示意圖
用于立體光刻成型的陶瓷漿料需有較高的固體含量40%~60%和適宜的粘度(0.1~110 Pa. s @100 s-1)。陶瓷顆粒應在漿料中分散均勻，對漿料的光學性能也有一定的要求，需選擇合理的光聚合引發劑，使其能在特定的光波段照射下固化，且要求漿料有足夠的紫外線透過能力。
2.三維打印成型
三維打印成型(3DP)技術按照原料狀態，可分為兩類：粉末三維打印成型(P-3DP)和漿料三維打印成型(S-3DP)。
粉末三維打印成型是利用噴嘴向待成型的陶瓷粉床上噴射結合劑，噴射打印完一層后，粉料床通過底部的活塞向下移動一點的距離，并在粉料床頂部添加新的粉料，然后再噴射打印結合劑，重復此過程，完成后除去未噴射結合的粉料，即可得到要成型的立體工件。
粉末三維打印成型
漿料三維打印成型，亦稱為噴墨打印成型(Ceramic Ink Jet Printing)，是從粉末三維打印成型發展而來，同時結合了用于文字輸出的噴墨打印機的原理。該技術是將待成型的陶瓷粉與各種有機物和溶劑配制成陶瓷墨水，通過打印機將這種陶瓷墨水按計算機指令逐點逐層噴打到平臺上，形成所要求的尺寸和形狀的陶瓷坯體。
漿料三維打印成型（噴墨打印成型）
三、負復型技術
負復型技術(Negative Replica Method) ，亦稱負增材技術(Negative AM Technology)，其工藝流程為：首先使用增材技術制備一個帶有空腔的聚合物模具，模具空腔的尺寸與形狀對應于陶瓷部件的尺寸與形狀，然后將流動性良好陶瓷漿料充入上述模腔中并實現固化，隨后進行聚合物模具的燒失和部件的焙燒，最終獲得所需的陶瓷部件。
相比于使用增材技術直接制備陶瓷部件，負復型技術雖然增加了一個模具的制備環節，但由于制造模具所用的材料為聚合物，而聚合物增材制造方面的技術水平領先于陶瓷，這意味著整體工序的簡化，亦有利于提高模具成型分辨率與部件表面質量。
原則上所有的增材技術都可以用來制備負復型技術所需的模具，然而實際應用中使用最多的技術主要包括立體光刻成型、激光選區燒結成型和熔融沉積成型。聚合物模腔中陶瓷部件的成型方法一般采用凝膠注模法，與傳統的熱壓注法和灌漿法相比，凝膠注模法具有不依賴于設備、工藝簡單靈活、充型性能好、漿料粘結劑含量低、坯體濕強度高等優點，是一種近凈成型復雜陶瓷的先進技術。
SL成型的樹脂模(a)和成型后的陶瓷型芯部件(b)
四、充芯材料灌漿成型技術
上述成型工藝所制備的陶瓷型芯，或為預制型芯(Precast Ceramic Core)，或為帶有型芯結構的一體化型殼。然而，預制型芯價格昂貴，且對于某些內腔尺寸較大且壁厚較薄的部位，蠟模無法承受住預制型芯的較大重量，極易導致蠟模變形甚至破碎；而由于鑄件尺寸較大，亦無法通過負復型技術成型一體化型殼。
內腔尺寸大壁厚薄的發動機機匣型殼
基于這種情況，可以選擇將整體熔模先涂掛若干層型殼，在內腔型殼的厚度不足以造成砂料搭橋前，用灌漿成型的方法將陶瓷漿料填充至型殼空腔中，填充至型殼內腔的陶瓷材料即為充芯材料(Core Packing)，充芯材料與包裹在其外的型殼組合在一起，共同發揮陶瓷型芯的作用。
灌漿成型要求充芯材料在充型前應為流動性良好的液態漿料，且具有延遲固化性。充芯材料被包裹在型殼中，澆注過程中不與金屬液直接接觸，因此，在材料耐火度、化學穩定性等方面的要求比預制型芯及一體化型殼要低，然而對充芯材料的濕坯強度提出了更高要求。充芯材料固化在較為封閉的型殼內腔，極難干燥，這就需要充芯材料具有足夠的自硬化性能。
總結
陶瓷型芯成型技術相對遲滯的發展，已成為限制高性能陶瓷型芯產業化的瓶頸。注射冷凍成型、無模成型、負復型和充芯材料灌漿成型等先進陶瓷成型技術的發展為陶瓷型芯的生產開拓了新的思路。特別是無模成型技術的發展,使陶瓷型芯的成型過程更加集成化、智能化和高效化，與傳統的諸多成型方法相比表現出極大的優勢。然而，無模成型技術亦存在設備昂貴、軟件封閉、材料昂貴、成型性能不理想等不足。因此，陶瓷型芯無模成型技術要實現成熟的工業化應用仍任重道遠。
參考來源：
1. 高溫合金精密鑄造用陶瓷型芯成型技術研究進展，于德海、王飛、何博、陸敏（現代技術陶瓷）；
2. 高溫合金空心葉片精密鑄造用陶瓷型芯與型殼的研究現狀，康海峰、李飛、趙彥杰、徐華蘋、王飛、呂和平、孫寶德（材料工程）；
3. 高溫合金空心葉片用陶瓷型芯的研究進展，王飛、李飛、劉河洲、王俊、孫寶德（航空制造技術）；
4. 單晶葉片鑄造用氧化鋁基陶瓷型芯研究進展，趙童剛、王秀峰、王莉麗、江紅濤（中國陶瓷）。
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