西工大《JMST》：粉料级配设计实现光固化3D打印陶瓷型芯综合性能提升

陶瓷型芯是熔模铸造中的重要部件，广泛应用于航空涡轮发动机和燃气轮机空心叶片制备过程。随着航空工业的快速发展，设计复杂冷却通道以提高叶片的承温能力变得越来越重要。然而，气冷通道结构的发展使叶片内腔结构更加复杂，大幅提高了陶瓷型芯的空间结构复杂性，从而对陶瓷型芯制备技术提出了挑战。增材制造技术又称3D打印技术，近年来因其无需模具、效率高、柔性制造等优点而备受关注。目前陶瓷材料的3D打印技术主要有光固化3D打印技术、直接墨水书写、选择性激光熔化、选择性激光烧结等。其中光固化3D打印技术具有精度高、表面质量好等优点，在众多陶瓷3D打印技术中脱颖而出，为复杂结构空心叶片的制备提供了新的思路。

目前，在复杂结构空心叶片内腔的熔模铸造工艺中，主要采用氧化硅基陶瓷型芯和氧化铝基陶瓷型芯两种类型。与氧化硅基陶瓷型芯相比，氧化铝基陶瓷型芯具有高的熔点、优良的化学稳定性、使用过程无相变、定位精度高等优点，符合航空发动机涡轮叶片的发展需求，是新一代高性能陶瓷型芯关键材料。但是，氧化铝对酸和碱都具有较好的耐受性，使得氧化铝基陶瓷型芯脱芯困难。提升陶瓷型芯的孔隙率是提高溶出性的有效手段。但是，孔隙率与抗弯强度之间通常存在难于兼顾的矛盾。因此，在高孔隙率条件下，如何提高光固化3D打印陶瓷型芯的综合性能是亟待解决的关键问题。

近日，西北工业大学苏海军等人报道了一种调控光固化3D打印陶瓷型芯孔隙率和抗弯强度矛盾的粉料级配设计方法，并结合合理的烧结温度选择，制备了具有高孔隙率、适当抗弯强度以及优异抗高温蠕变性能的氧化铝基陶瓷型芯。研究了粉末级配设计，特别是粗粉料对光固化3D打印陶瓷型芯组织和性能的影响。基于不同颗粒尺寸的烧结动力学，确定了合适的烧结温度。建立了光固化3D打印氧化铝基陶瓷型芯的“非骨架”微观结构模型。在孔隙率、抗弯强度和抗高温蠕变性达到平衡的情况下，大大提高了复合材料的综合性能。当粗(30-40μm)、中(~10μm)、细粉料(1-2μm)质量比为2:1:1、烧结温度为1600°C时，获得高孔隙率(36.4%)、适当强度(50.1 MPa)和低高温挠度(2.27 mm)的氧化铝基陶瓷型芯，为提高光固化3D打印陶瓷型芯的综合性能提供了重要手段。相关工作以题为“Enhanced comprehensive properties of stereolithography 3D printed alumina ceramic cores with high porosities by a powder gradation design”的研究论文发表在Journal of Materials Science & Technology。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2022.04.040