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利用3D打印应对陶瓷型芯成型挑战（材料路线及其优化篇）
2023年10月30日 发布
分类：粉体应用技术 点击量：320
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之前主要从技术路线及优化的角度对陶瓷型芯3D打印进行介绍，本文将从材料路线及相关最新研究成果角度深入了解，将工艺与材料之间架起连接的桥梁。 相关阅读：利用3D打印应对陶瓷型芯成型挑战（路线分类及其优化篇） 气孔率、室温/高温强度是陶瓷型芯的关键指标，其发展的核心追求是在满足复杂形状与精度的前提下，期待两者数值越高越好。3D打印的陶瓷型芯坯体烧结后开气孔率一般为20%～50%，基本能够保证后续高温铸造与脱芯需求。其中二氧化硅基陶瓷型芯的烧结后室温强度一般可达20MPa左右，氧化铝基陶瓷型芯的室温强度可达35MPa左右，也基本满足高温铸造过程的强度要求。下面分别对目前主流的二氧化硅基(SiO2)陶瓷型芯、氧化铝基(Al2O3)陶瓷型芯、氧化钙基(CaO)陶瓷型芯的3D打印研究进展进行介绍。
几种陶瓷型芯性能对比 一、二氧化硅基陶瓷型芯 二氧化硅基(SiO2)陶瓷型芯的热膨胀系数低、热稳定性、化学稳定性好，长期以来得到广泛研究与应用。传统成型方法有压制成型、注射成型、热压铸成型等，然而传统制备方法的产品室温弯曲强度较低，影响了后续精密铸造的质量，因而学者转向关注3D打印技术工艺以提升性能。3D打印多采用光固化成型及激光选区烧结成型。 一些学者尝试在二氧化硅基材中添加第二相以提高型芯强度。例如，在基体中掺入6wt.%的Al2O3粉体可以促进烧结时方石英相的形成，提高型芯在高温下的力学性能。同样的，在基体中添加2wt.%的ZrO2也可以在烧结中与SiO2反应生成ZrSiO4，增强型芯高温下的抗弯强度。尽管通过这些方法，二氧化硅基陶瓷型芯的室温力学性能得到了一定提升，但仍处于较低水平，且SiO2在1550℃以上会产生蠕变，因而仍需进一步探索。 二、氧化铝基陶瓷型芯 传统二氧化硅基陶瓷型芯难以满足高熔点金属的高温性能要求，相比之下氧化铝(Al2O3)基型芯的高温稳定性、高温抗蠕变性能、高温强度更优，因此受到更多关注。氧化铝基陶瓷型芯的传统成型方法包括压制成型、热压铸成型、凝胶注模成型等，烧结获得型芯的气孔率、室温高温弯曲强度基本满足后续精密铸造需求。对此3D打印技术多采用数字光处理和立体光刻成型，优点是型芯具有较高的表面质量与制备精度，型芯强度也同样基本满足后续使用要求。 然而，氧化铝基陶瓷型芯在碱性溶液中的溶解能力较差，导致脱芯困难。为了解决这一问题，有学者在Al2O3浆料中加入造孔剂，制备出了多孔的氧化铝基陶瓷型芯，气孔率提高了约3%～12%，显著增大了碱性溶液与氧化铝基陶瓷型芯的接触面积，提高脱芯性能。此外，造孔剂的添加还一定程度上抑制了氧化铝基陶瓷型芯烧结过程中的收缩，有助于提高型芯的制造精度。 此外，烧结工艺对孔隙率和弯曲强度有显著影响，即降低烧结温度能够显著提升陶瓷型芯的气孔率，但烧结不充分又会导致陶瓷型芯弯曲强度的降低，气孔率与强度作为此消彼长的对立变量。如何优化烧结工艺实现气孔率与强度的“双高”，学者仍在不断探索。 三、氧化钙基陶瓷型芯 氧化钙(CaO)具有高熔点及优异的热力学稳定性，尤其对熔融的钛金属具有良好的高温稳定性，因此可用作钛合金叶片精密铸造的陶瓷型芯。然而，碱性氧化物CaO吸湿明显，极易吸收空气中的水分和二氧化碳，极大劣化了氧化钙基陶瓷型芯的性能，增加了氧化钙基陶瓷型芯运输和储存的难度。有学者通过采用其他氧化物包裹CaO颗粒来隔绝空气，即采用表面改性及氧化物包覆均可提升氧化钙基陶瓷型芯的抗水化性能，从而保证运输和储存过程中氧化钙基陶瓷型芯的完好。氧化钙基陶瓷型芯的传统制备方法多采用压制成型，3D打印多采用黏结剂喷射技术，烧结后的室温弯曲强度在23MPa～31MPa，但缺少高温弯曲强度数据。 结论与展望 SiO2、Al2O3、CaO是目前应用最为广泛的几种陶瓷型芯材料，然而，二氧化硅基陶瓷型芯高温下容易发生蠕变，使用温度一般不能超过1550℃；氧化铝基陶瓷型芯脱芯一般烧结温度较高，脱芯较为困难；氧化钙基陶瓷型芯吸湿性，运输和储存难度较大。 近年来，新型的复合陶瓷材料体系受到了越来越多的关注与研究。新型纳米复合材料体系是将不同种类的陶瓷材料复合，3D打印制备兼具高气孔率、高强度的陶瓷型芯。与单一基体材料型芯相比，纳米复合陶瓷型芯通过两相或多相纳米级陶瓷颗粒均匀分布，在最佳配比下能够最大限度提升陶瓷型芯的力学性能，在强度、韧性、耐高温性、烧结性能等各个方面均表现优异，成为今后复杂异形陶瓷型芯3D打印的优选材料体系。
采用优化的SLS参数和后处理工艺制备的AL2O3-SiO2陶瓷零件 不同门类3D打印技术的不断发展和在陶瓷领域的深入应用，为陶瓷制品的个性化定制及研发提供了一种全新的策略。陶瓷型芯的成型过程由此变得更加集成化、智能化和高效化，让高性能陶瓷型芯的产业化看到了光明的前景。
参考文献： [1]朱文杰.铸造铝合金用水溶性精密陶瓷型芯制备与性能研究 东南大学, 2018 [2]张贺.精铸空心叶片氧化硅陶瓷型芯制备工艺研究[D]. 哈尔 滨工业大学, 2017. [3]杨嘉楠.硅基陶瓷型芯的制备及性能研究[D]. 东南大学, 2017. [4]翟小菲,陈婧祎等.陶瓷型芯 3D 打印研究进展与挑战[J]. 陶瓷学报, 2023, 44(5): 831–838
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