隨著制備技術(shù)的不斷進(jìn)步，3D打印技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。其中，光固化陶瓷3D打印技術(shù)作為一種先進(jìn)的制造工藝，在制備航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片熔模鑄造用陶瓷型芯方面展現(xiàn)出巨大的潛力和優(yōu)勢(shì)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片是發(fā)動(dòng)機(jī)中的核心部件，其性能直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和壽命。陶瓷型芯作為熔模鑄造過(guò)程中的關(guān)鍵部件，對(duì)于渦輪葉片的制造至關(guān)重要。傳統(tǒng)的陶瓷型芯制備方法存在著模具制作難度大、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成本高等問(wèn)題，而光固化陶瓷3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，為解決這些問(wèn)題提供了新的途徑。光固化陶瓷3D打印技術(shù)基于數(shù)字光處理（DLP）或立體光刻（SLA）技術(shù)，通過(guò)逐層打印的方式制造出三維實(shí)體。在制備陶瓷型芯時(shí)，使用特殊的陶瓷材料作為打印材料，通過(guò)精確的光固化技術(shù)，逐層堆積形成復(fù)雜形狀三維結(jié)構(gòu)。整個(gè)過(guò)程自動(dòng)化程度高，可以快速、準(zhǔn)確地制造出復(fù)雜形狀的陶瓷型芯。

相比于傳統(tǒng)制備方法，光固化陶瓷3D打印技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：1. 高精度與復(fù)雜形狀制造能力：能夠制造出具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)和精確尺寸的陶瓷型芯，滿足渦輪葉片的精密鑄造要求；2. 縮短生產(chǎn)周期：大幅減少了模具制作和后處理的時(shí)間，加快了產(chǎn)品迭代速度。3.降低成本：簡(jiǎn)化了生產(chǎn)流程，減少了原材料浪費(fèi)，降低了生產(chǎn)成本。4. 優(yōu)化設(shè)計(jì)靈活性：可以根據(jù)實(shí)際需求快速調(diào)整陶瓷型芯的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)定制化生產(chǎn)。

然而，光固化陶瓷3D打印技術(shù)在制備航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片熔模鑄造用陶瓷型芯方面仍面臨一些挑戰(zhàn)。例如，陶瓷材料的可打印性、打印過(guò)程中的精度控制、后處理工藝的優(yōu)化等。為了充分發(fā)揮光固化陶瓷3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，還需要在材料、設(shè)備、工藝等方面進(jìn)行深入研究和改進(jìn)。其中，后處理過(guò)程中較高的收縮率對(duì)于陶瓷型芯的缺陷及成形精度具有重要影響。燒結(jié)收縮較高容易在陶瓷型芯中引入應(yīng)力進(jìn)而產(chǎn)生開(kāi)裂缺陷，另外，體積收縮造成形狀及尺寸精度難以控制。因此，降低陶瓷型芯3D打印過(guò)程中的收縮率對(duì)抑制缺陷，提高產(chǎn)品精度和性能具有重要的意義。

一、氣氛控制鋁粉原位氧化方法

結(jié)合圖1和圖2，確定鋁粉及樹(shù)脂脫脂過(guò)程中的關(guān)鍵溫度，制定脫脂和燒結(jié)制度，分別控制鋁粉在500°C，600°C，1000°C，1400°C和1600°C進(jìn)行氧化，關(guān)鍵特征溫度如表1所示。結(jié)果表明在500°C時(shí)基本不發(fā)生氧化，600°C發(fā)生了部分氧化，1000°C以上鋁粉完全氧化，證明實(shí)驗(yàn)設(shè)置的脫脂和燒結(jié)制度可以控制后處理過(guò)程中鋁粉的原位氧化過(guò)程。

圖1.?光固化3D打印陶瓷型芯的后處理過(guò)程：(a)控制脫脂最終溫度為500°C，600°C和1000°C，燒結(jié)全過(guò)程為大氣氣氛；(b)燒結(jié)升溫至1400°C，1600°C時(shí)將氣氛由氬氣保護(hù)轉(zhuǎn)變?yōu)榇髿鈿夥?/span>

圖2.?(a)光固化3D打印陶瓷型芯STA結(jié)果；(b)大氣氣氛下鋁粉的STA曲線

表1: 不同后處理制度的特征溫度

二、顯微結(jié)構(gòu)特征

圖3和圖4分別證明了光固化3D打印氧化鋁陶瓷型芯的顯微結(jié)構(gòu)在不同的后處理制度以及不同的鋁粉添加量下產(chǎn)生了明顯的變化。添加鋁粉并且在高溫下氧化會(huì)在燒結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生液相，形成一種新的團(tuán)聚顆粒，降低體系的表面能，進(jìn)而降低燒結(jié)收縮。

圖3. 添加15wt.% 鋁粉的陶瓷型芯在不同后處理制度下的顯微結(jié)構(gòu)：(a) D-500; (b) D-600; (c) D-1000; (d) Ar-all; (e) Ar-1600; (f) Ar-1400.

圖4. D-500和Ar-1600后處理制度下不同鋁粉添加量的光固化3D打印氧化鋁陶瓷型芯顯微結(jié)構(gòu)：(a)0 wt.% Al， D-500; (a1) 9 wt.%Al, D-500; (a2) 15 wt.% Al, D-500; (b) 0 wt.% Al, Ar-1600; (b1) 9 wt.% Al,Ar-1600; (b2) 15 wt.% Al, Ar-1600.

三、組織演變行為分析

添加鋁粉的陶瓷型芯在脫脂后鋁粉并沒(méi)有發(fā)生明顯的氧化，當(dāng)燒結(jié)溫度升至1400°C或1600°C后，鋁粉在氬氣氣氛下不會(huì)發(fā)生氧化，但是會(huì)由固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變，并在表面張力的作用下形成團(tuán)聚顆粒。延長(zhǎng)液態(tài)鋁作用時(shí)間或增加液態(tài)鋁的含量會(huì)提高團(tuán)聚顆粒的數(shù)量。

圖5. 鋁粉增強(qiáng)氧化鋁陶瓷型芯組織演變示意圖

四、陶瓷型芯綜合性能

本研究通過(guò)氣氛控制鋁粉原位氧化新方法，獲得的陶瓷型芯具有較高的綜合力學(xué)性能。燒結(jié)收縮在X方向上達(dá)到了極低的0.3%，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高開(kāi)口孔隙率（45.02%）和高抗彎強(qiáng)度（72.7 MPa）。

圖6. 光固化3D打印陶瓷型芯性能對(duì)比

綜上所述，本研究提出了一種巧妙的方案：通過(guò)氣氛控制鋁粉原位氧化，解決了3D打印氧化鋁陶瓷型芯燒結(jié)線性收縮率高的問(wèn)題。將細(xì)鋁粉添加到陶瓷芯中，細(xì)鋁粉能夠增加體系的表面能，促進(jìn)燒結(jié)收縮，而鋁粉氧化則減少燒結(jié)收縮。我們通過(guò)控制燒結(jié)氣氛，創(chuàng)造性地延遲鋁粉的氧化過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了顯微結(jié)構(gòu)和性能的調(diào)控。陶瓷型芯的相組成和顯微結(jié)構(gòu)證明了該方法的有效性，新生成的團(tuán)聚顆粒是陶瓷型芯微觀結(jié)構(gòu)演變和性能優(yōu)化的關(guān)鍵。此外，孔結(jié)構(gòu)分析表明，氣氛控制的液相燒結(jié)有利于增加孔的尺寸和體積，這是提高氧化鋁基陶瓷型芯溶出性的一種理想結(jié)構(gòu)。燒結(jié)收縮在X方向上達(dá)到了極低的0.30%。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高顯孔隙率（45.02%）和高抗彎強(qiáng)度（72.7 MPa）。本研究發(fā)展的創(chuàng)新方法為調(diào)控陶瓷材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能提供了一條新途徑。