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隨著航空發(fā)動機(jī)進(jìn)口燃?xì)鉁囟鹊牟粩嗵岣?，僅僅依靠提高材料的承溫能力和采用隔熱措施等方法已經(jīng)無法滿足渦輪葉片的服役需求。目前，采用復(fù)雜氣冷內(nèi)腔結(jié)構(gòu)來改善發(fā)動機(jī)渦輪葉片的散熱能力已成為先進(jìn)發(fā)動機(jī)制造的關(guān)鍵技術(shù)。在此過程中，陶瓷型芯的制備成為鑄造具有復(fù)雜氣冷內(nèi)腔結(jié)構(gòu)葉片的核心技術(shù)。陶瓷型芯的主要作用是形成葉片內(nèi)部冷卻通道，應(yīng)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性、較低的線膨脹系數(shù)、合適的氣孔率以及易于從鑄件中脫除等特點(diǎn)，其性能和質(zhì)量直接影響著空心葉片的質(zhì)量。燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展對陶瓷型芯的性能優(yōu)質(zhì)化和形狀復(fù)雜化有了更高的期望，傳統(tǒng)的鑄造方法已經(jīng)無法滿足該需求。近年來，增材制造技術(shù)受到人們的關(guān)注，并為陶瓷型芯的制備提供了新的解決方案。相比傳統(tǒng)的鑄造方法，增材制造技術(shù)可以通過層層堆疊材料來直接成型內(nèi)腔復(fù)雜的零件，不僅縮短了研發(fā)周期，還可以更好地控制產(chǎn)品的尺寸精度。

 

目前，應(yīng)用于陶瓷型芯制備方面的增材制造技術(shù)主要包括選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)、光固化技術(shù)、直寫成型技術(shù)和黏結(jié)劑噴射技術(shù)。其中，黏結(jié)劑噴射成型又稱為微噴射3D打印(Micro-Droplet Jetting 3D Printing)，該技術(shù)的工作原理如下：將設(shè)計好的零件在計算機(jī)軟件上進(jìn)行切片處理，設(shè)定每一層行進(jìn)的路徑和各打印參數(shù)；打印設(shè)備通過輥輪在打印平臺上鋪上一層粉體材料，噴頭根據(jù)計算機(jī)設(shè)定的位置將黏結(jié)劑噴射到粉末上，使其黏結(jié)在一起；打印平臺下降一個層厚的高度，通過輥輪鋪設(shè)下一層的粉體材料。如此循環(huán)，逐漸完成整個零件結(jié)構(gòu)的打印。打印完成后，通過脫粉、燒結(jié)等后處理工藝，對打印的零件進(jìn)行進(jìn)一步加工。相比于其他工藝，黏結(jié)劑噴射技術(shù)有以下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：

 

(1)制造成本較低；

 

(2)噴頭可以在多個位置同時進(jìn)行打印，生產(chǎn)效率高；

 

(3)可以通過調(diào)整噴頭的溫度、噴嘴的形狀、噴頭的速度等參數(shù)來控制陶瓷型芯的質(zhì)量以及性能；

 

(4)適用于多種材料的型芯制備；

 

(5)需要的原料粉末相比于絲線、板材等更容易獲取。

 

然而，目前黏結(jié)劑噴射技術(shù)在制備陶瓷型芯方面還存在著不足之處，包括以下幾個方面：

 

(1) 不同的粉末需要選擇不同的黏結(jié)劑，這增加了材料選擇和調(diào)試的復(fù)雜性；

 

(2)制備的試樣在燒結(jié)過程中由于黏結(jié)劑的揮發(fā)會產(chǎn)生孔隙，導(dǎo)致相對密度較低；

 

(3)制備速率相對較慢，每一層都需要時間干燥；

 

(4)噴射過程中黏結(jié)劑會飛濺到周圍區(qū)域，導(dǎo)致制造出的試樣表面粗糙，影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量；

 

(5)由于使用黏結(jié)劑，在后處理過程隨著溫度升高，陶瓷顆粒之間的黏結(jié)力增強(qiáng)，孔隙逐漸減少，導(dǎo)致零件整體收縮，影響零件的尺寸度。黏結(jié)劑噴射技術(shù)存在的不足可以通過改變制備工藝參數(shù)來進(jìn)行改進(jìn)。

 

為了給相關(guān)研究人員提供參考，作者主要對粉末、黏結(jié)劑、成形工藝和后處理工藝這4個方面的參數(shù)對陶瓷型芯抗彎強(qiáng)度、尺寸精度和表面質(zhì)量的影響進(jìn)行了綜述，并提出了未來的發(fā)展方向。

 

1、  粉末的影響 

 

粉末的性質(zhì)對于陶瓷型芯的強(qiáng)度、尺寸精度和表面質(zhì)量具有重要影響，其中粉末的平均粒徑和粒徑分布是關(guān)鍵影響因素。通常較細(xì)的粉末可以減少階梯效應(yīng)帶來的影響，提高分辨率，使得零件的 表面質(zhì)量提高。然而，當(dāng)粉末過于細(xì)小時，在制備型芯時粉末會發(fā)生團(tuán)聚， 導(dǎo)致型芯表面粗糙度增加。由細(xì)小顆粒組成的平滑粉末床 ,可以減少顆粒與黏結(jié)劑之間的相互作用 ,避免產(chǎn)生液滴飛濺或顆粒噴射，從而提高型芯的尺寸精度。

 

同時，細(xì)小的粉末可以產(chǎn)生較薄的打印層，減少黏結(jié)劑在垂直滲透方向上的距離，促進(jìn)黏結(jié)劑在粉末層中的滲透，從而提高層間黏合程度，提高零件的強(qiáng)度。MOGHADASI等研究發(fā)現(xiàn)，以TP80陶瓷細(xì)粉(粒徑小于53μm)、中粉(粒徑在53~ 90μm)和粗粉(粒徑在90~150μm)為原料，采用黏結(jié)劑噴射技術(shù)制備的陶瓷試樣的抗彎強(qiáng)度和相對密度明顯不同，其中細(xì)粉的燒結(jié)性好，以細(xì)粉為原料制備的試樣抗彎強(qiáng)度最高，中粉流動性好，以中粉為原料制備的試樣的相對密度最高，但當(dāng)粉末粒徑進(jìn)一步提高時，相對密度又會因燒結(jié)性能的下降而降低。

 

MANOTHAM等在此基礎(chǔ)上研究了平均粒徑為3μm的細(xì)粉末和平均粒徑為1.65μm的超細(xì)粉末組成的混合粉末對黏結(jié)劑噴射陶瓷型芯致密性及力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)超細(xì)粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過30%時，陶瓷型芯的致密性和強(qiáng)度降低。ZHOU等研究發(fā)現(xiàn)，與粒徑為30~110μm的磷酸鈣粉末相比，粒徑小于20μm的磷酸鈣細(xì)粉末所形成的松散粉末床會導(dǎo)致黏結(jié)劑噴射生坯的表面質(zhì)量和抗彎強(qiáng)度降低。LU等研究發(fā)現(xiàn)，在黏結(jié)劑噴射過程中，與粒徑為20~45μm，45~75μm，75~150μm的粉末相比，粒徑小于20μm的TiNiHf粉末可以產(chǎn)生更高強(qiáng)度的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)生坯，并且生坯表面更光滑。PARK等研究了質(zhì)量分?jǐn)?shù)100%的常規(guī)莫來石珠(平均粒徑為250μm) 、50%常規(guī)莫來石珠和50%鋯石粉(平均粒徑為43μm)、50%常規(guī)莫來石珠和50%莫來石粉(平均粒徑為16μm)對黏結(jié)劑噴射陶瓷型芯性能的影響，發(fā)現(xiàn)莫來石珠混合莫來石粉制備的陶瓷型芯的抗彎強(qiáng)度最高，其次是莫來石珠混合鋯石粉，純莫來石珠制備的陶瓷型芯的抗彎強(qiáng)度最低。這是因?yàn)椴煌椒植嫉幕旌戏勰┛梢栽黾犹沾尚托镜奶畛涿芏?，提高無機(jī)黏結(jié)劑的涂敷率，從而提高陶瓷型芯的力學(xué)性能。

 

2、  黏結(jié)劑的影響 

 

黏結(jié)劑要求與打印頭兼容、具有低的黏度以便從噴頭中噴出，同時黏結(jié)后應(yīng)具有高強(qiáng)度以及綠色無污染的特點(diǎn) 。影響陶瓷型芯強(qiáng)度、表面質(zhì)量和尺寸精度的黏結(jié)劑參數(shù)主要包括黏結(jié)劑的物理化學(xué)性能、添加劑的種類、黏結(jié)劑的液滴速度、黏結(jié)劑的飽和度以及固體黏結(jié)劑的體積分?jǐn)?shù)。目前，研究重點(diǎn)主要集中在黏結(jié)劑的飽和度和添加劑種類方面。黏結(jié)劑的飽和度對陶瓷型芯性能的影響主要體現(xiàn)在其黏度和流動性上。當(dāng)黏結(jié)劑的飽和度較高時，較大的黏度可以更好地滿足陶瓷型芯的尺寸精度和穩(wěn)定性要求。通過向黏結(jié)劑中添加各種添加劑，如凝固劑、助流劑、保溫劑、潤滑劑、pH調(diào)節(jié)劑等可以改善黏結(jié)劑的特性，進(jìn)而改善陶瓷型芯的質(zhì)量。

 

ZHAO等以CaO粉末為前體材料、納米氧化鋯無水乙醇溶液懸浮液為黏結(jié)劑，采用黏結(jié)劑噴射技術(shù)制備陶瓷型芯，研究了黏結(jié)劑飽和度對陶瓷 型芯性能的影響，發(fā)現(xiàn)在1300℃燒結(jié)溫度下，隨著黏結(jié)劑飽和度從10%提高到100%，陶瓷型芯的抗彎強(qiáng)度從7.2MPa增加到14MPa。VAEZI等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)黏結(jié)劑飽和度由90%增加到125%時，黏結(jié)劑噴射陶瓷型芯的抗彎強(qiáng)度提高，但尺寸精度和表面質(zhì)量下降。

 

因此，采用黏結(jié)劑噴射技術(shù)時，需選擇合適的黏結(jié)劑飽和度，以獲得最佳性能和表面質(zhì)量的陶瓷型芯。HUANG等嘗試用無機(jī)膠體黏結(jié)劑替代樹脂和納米顆粒懸浮液等常規(guī)黏結(jié)劑，對比研究了不同飽和度下無機(jī)膠體黏結(jié)劑和常規(guī)黏結(jié)劑制備陶瓷型芯的打印質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)在100%的飽和度下，用含質(zhì)量分?jǐn)?shù)35%堿式碳酸鋯的無機(jī)膠體黏結(jié)劑，在1600℃溫度下燒結(jié)的陶瓷型芯表現(xiàn)出最佳的打印質(zhì)量。這是由于在打印過程中無機(jī)膠體黏結(jié)劑具有更好的流動性和潤濕性，促進(jìn)了顆粒之間的黏結(jié)。付培國等用納米TiO2無水乙醇分散液作為黏結(jié)劑，采用微噴射黏結(jié)工藝和燒結(jié)工藝制備CaO陶瓷型芯 ,發(fā)現(xiàn)隨著黏結(jié)劑噴射量的增加 , 陶瓷型芯坯體的收縮率和表面粗糙度減小 , 同時致密性、抗彎強(qiáng)度和抗吸濕性提高。HUANG等將不同含量的堿式碳酸鋯(ZBC)添加劑加入到無機(jī)黏結(jié)劑中，研究了ZBC含量對噴射后陶瓷型芯性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)ZBC質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0增加到35%時，1500℃下燒結(jié)得到陶瓷型芯的密度增加，抗彎強(qiáng)度由60MPa提高到79MPa，線性收縮率從20%降低到13%。這是由于隨著ZBC含量的增加，黏結(jié)劑的表面張力降低，流動性和濕潤性提高，飛濺現(xiàn)象減少，同時ZBC在燒結(jié)過程中分解產(chǎn)生的ZrO2顆粒填充空隙，使得表面形貌更加均勻，進(jìn)而對陶瓷型芯的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。

 

ZHAO等開發(fā)了2種納米氧化鋯添加方法的打印工藝，一種方法是將納米氧化鋯懸浮液加入到黏結(jié)劑中，另一種方法是直接將納米氧化鋯與CaO粉末混合作為前體粉末材料，結(jié)果表明：納米氧化鋯和CaO會反應(yīng)生成CaZrO3，從而提高陶瓷型芯的強(qiáng)度；將納米氧化鋯加入黏結(jié)劑中形成的CaZrO3層的厚度和完整性優(yōu)于直接混合在CaO粉末中，得到的陶瓷型芯具有更高的尺寸精度、表面質(zhì)量、相對密度、抗彎強(qiáng)度以及抗水化性能，這是由于將納米氧化鋯懸浮液作為黏結(jié)劑可以實(shí)現(xiàn)納米氧化鋯與CaO的均勻分散。趙火平等采用納米氧化鋯分散液代替常規(guī)有機(jī)黏結(jié)劑作為噴射溶液，當(dāng)分散液的噴射體積與粉層空隙體積之比從0增加到1.75時，由于納米氧化鋯分散液中的顆粒填充了粉層空隙，坯體的相對密度增大，燒結(jié)線性收縮率減小6%~8%，表面粗糙度減小57%，抗彎強(qiáng)度和硬度分別提高了124%和187%。

 

綜上，增加黏結(jié)劑飽和度可以顯著提高陶瓷型芯的抗彎強(qiáng)度和相對密度，但可能導(dǎo)致尺寸精度和表面質(zhì)量的降低。在黏結(jié)劑中添加納米顆粒懸浮液后可以使陶瓷型芯獲得更好的尺寸精度和抗彎強(qiáng)度。另外，與常規(guī)黏結(jié)劑相比，無機(jī)膠體黏結(jié)劑具有更好的流動性和潤濕性，可促進(jìn)顆粒之間的黏結(jié)，從而在燒結(jié)過程中形成更致密的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改善陶瓷型芯的表面質(zhì)量和性能。

 

3、  成形工藝的影響 

 

影響?zhàn)そY(jié)劑噴射陶瓷型芯質(zhì)量的成形工藝參數(shù)包括鋪粉層厚、打印方向、鋪粉速度、燒結(jié)溫度、噴頭高度等。在采用黏結(jié)劑噴射技術(shù)制備陶瓷型芯時，鋪粉層厚應(yīng)高于粉末的最大粒徑，在黏結(jié)劑飽和度固定時，隨著鋪粉層厚的增加，陶瓷型芯的質(zhì)量降低，并且當(dāng)鋪粉層厚和黏結(jié)劑飽和度同時增加時，陶瓷型芯的質(zhì)量并未得到明顯改善，這是因?yàn)榧尤脒^多的黏結(jié)劑會導(dǎo)致粉末床表面的塌陷和變形。趙火平等研究了在以質(zhì)量分?jǐn)?shù)55%酚醛樹脂溶液和水玻璃溶液為黏結(jié)劑條件下，噴頭高度(1.0~4.5mm)對黏結(jié)劑噴射陶瓷型芯質(zhì)量的影 響 ,發(fā)現(xiàn)當(dāng)噴頭高度為1.5mm時，陶瓷型芯的尺寸穩(wěn)定性最好，尺寸誤差都控制在0.2mm之內(nèi)，當(dāng)噴頭高度過高時，黏結(jié)劑液滴的噴射精度低，導(dǎo)致陶瓷型芯的尺寸精度變差；同時發(fā)現(xiàn)隨著鋪粉層厚的增加，陶瓷型芯的相對密度減小，燒結(jié)收縮率增加，因此抗彎強(qiáng)度降低。

 

隨著鋪粉速度的增大，鋪粉器前端粉末易在已成型粉層上表面形成拱橋結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致新粉層的相對密度降低，使得所制備的陶瓷型芯抗彎強(qiáng)度下降。FARZADI等提出，合適的鋪粉層厚和打印方向可以提高陶瓷型芯的抗彎強(qiáng)度和尺寸精度。李喬磊等研究發(fā)現(xiàn)，隨著燒結(jié)溫度的升高，硅基陶瓷型芯的打印面表面粗糙度先降后增。

 

綜上：隨著噴頭高度的增加，陶瓷型芯尺寸精度降低；隨著鋪粉層厚或鋪粉速度的增大，陶瓷型芯抗彎強(qiáng)度下降；隨著燒結(jié)溫度的升高，表面質(zhì)量呈先提高后降低的趨勢。

 

4、  后處理工藝的影響 

 

黏結(jié)劑噴射制備的生坯力學(xué)性能不足，通常需要進(jìn)行后處理。然而，常用的脫粉、燒結(jié)等后處理會對陶瓷型芯的質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響，如脫粉會影響表面粗糙度，而燒結(jié)會導(dǎo)致陶瓷型芯收縮，影響尺寸精度。為此，一些研究者采用化學(xué)蒸汽滲透(CVI)、聚合體浸漬工藝(PIP)、反應(yīng)熔融滲透(RMI)等技術(shù)對黏結(jié)劑噴射陶瓷型芯進(jìn)行致密化，隨后進(jìn)行燒結(jié)以改善其性能和尺寸精度；在PIP和 RMI的致密化過程中，通過浸漬無機(jī)黏結(jié)劑或者 涂敷無機(jī)黏結(jié)劑來強(qiáng)化陶瓷型芯。3種致密化工藝 的對比結(jié)果如表1所示。

 

表 1  不同致密化工藝的對比

 

一些研究者還采用無機(jī)黏結(jié)劑浸漬、硅溶膠室溫浸涂處理等方法對陶瓷型芯進(jìn)行致密化。KIM等研究發(fā)現(xiàn)，對黏結(jié)劑噴射陶瓷型芯進(jìn)行一次無機(jī)黏結(jié)劑浸漬后，陶瓷型芯的抗彎強(qiáng)度達(dá)到5.8MPa，比未浸漬前提升2MPa以上，經(jīng)2次無機(jī)黏結(jié)劑浸漬后抗彎強(qiáng)度變化不大，而經(jīng)過3次無機(jī)黏結(jié)劑浸漬后抗彎強(qiáng)度達(dá)到了(12.5±0.9)MPa。 

 

這是由于顆粒上的玻璃相數(shù)量隨著浸漬次數(shù)的增加而增加，因此燒結(jié)后型芯的抗彎強(qiáng)度提升。PENG等提出了硅溶膠室溫浸涂處理和高溫?zé)Y(jié)相結(jié)合的方法，研究發(fā)現(xiàn)：隨著硅溶膠濃度和浸涂時間的增加，黏結(jié)劑噴射工藝制備的氧化鋁陶瓷型芯的力學(xué)性能和表面質(zhì)量顯著提升；當(dāng)浸涂時間為90s，硅溶膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到30%時，氧化鋁陶瓷型芯的最大抗彎強(qiáng)度達(dá)到44.8MPa，頂面表面粗糙度從6.87μm降至5.70μm，側(cè)面表面粗糙度從7.55μm降至6.46μm。

 

5、結(jié)束語

 

采用黏結(jié)劑噴射技術(shù)制備陶瓷型芯時具有制備速率快、工藝簡單、粉末利用率高等優(yōu)點(diǎn)，但是制備出的陶瓷型芯在抗彎強(qiáng)度、尺寸精度和表面質(zhì)量方面還有很大的提升空間。細(xì)小的粉末顆?？梢源龠M(jìn)黏結(jié)劑滲透，提高型芯抗彎強(qiáng)度；不同粒徑粉末混合可以提高型芯的填充密度和黏結(jié)劑的涂敷率，進(jìn)而增強(qiáng)型芯的抗彎強(qiáng)度。提高黏結(jié)劑的飽和度、在黏結(jié)劑中添加納米懸浮顆粒可以提高型芯的抗彎強(qiáng)度和表面質(zhì)量，無機(jī)黏結(jié)劑相比于傳統(tǒng)黏結(jié)劑可以更好地促進(jìn)粉末顆粒之間的黏結(jié)。隨著噴頭高度的增加，陶瓷型芯的尺寸精度降低，隨著鋪粉層厚或鋪粉速度的增大，陶瓷型芯抗彎強(qiáng)度下降，隨著燒結(jié)溫度的升高，型芯的表面質(zhì)量呈先提高后降低的趨勢。多次浸漬或浸涂致密化劑可以使型芯的抗彎強(qiáng)度和表面質(zhì)量提升?；谏鲜鲅芯拷Y(jié)果，未來的研究應(yīng)主要集中在：

 

(1) 探索開發(fā)更高性能的黏結(jié)劑和粉末材料，以改善制備過程，增強(qiáng)打印件的力學(xué)性能；

 

(2) 進(jìn)一步研究工藝參數(shù)的優(yōu)化和控制方法，包括鋪粉層厚、噴頭高度、鋪粉速度、噴射量等參數(shù)的優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)更精確和穩(wěn)定的打印效果；

 

(3) 開發(fā)更有效的脫粉和致密化等后處理方法以及表面處理技術(shù)，以提高打印件的抗彎強(qiáng)度、尺寸精度和表面質(zhì)量；

 

(4) 開發(fā)更高精度、更高速度的打印機(jī)，優(yōu)化噴頭設(shè)計，改進(jìn)粉末供給系統(tǒng)，提升打印過程的自動化水平。