近日，清华大学摩擦学国家重点实验室吕志刚课题组在陶瓷增材制造研究上取得新进展。他们利用光固化陶瓷增材制造技术制备复杂陶瓷型芯并进行了单晶叶片浇注验证，型芯性能满足单晶叶片的浇注要求。相关成果以《复杂陶瓷型芯增材制造及浇注工艺验证》为题，于2021年2月发表在中国机械工程领域的顶级学术刊物《机械工程学报》上，并被选为封面文章。
熔模铸造是航空发动机空心涡轮叶片的核心成形工艺，而陶瓷型芯是获得叶片内腔的重要基础。由于叶片冷却效率提升的需要，叶片内腔结构日趋复杂，而对应的陶瓷型芯结构也从单层向多层发展，传统的模具成形方法面临挑战。该课题组利用光固化陶瓷增材制造技术，发挥其高精度、高表面质量等优势，实现了具有多层结构的、尺寸超过100 mm的复杂陶瓷型芯成形，对其综合性能进行了表征，并完成了单晶叶片的浇注验证。
图1 光固化陶瓷增材制造设备原理
图2 复杂型芯坯体的增材制造过程
图3 复杂陶瓷型芯坯件尺寸精度扫描对比图
图4浇注验证：（a）铸型；（b）浇注的空心叶片
论文根据硅基陶瓷型芯的性能要求和光固化增材制造的成形特点，从材料、打印工艺、脱脂烧结工艺、性能检测及浇注验证多方面开展工作。首先设计了硅基型芯用光固化陶瓷浆料配方和脱脂烧结工艺，并对该材料的烧结性能进行了充分的检测和表征；其次，建立打印过程中坯件的受力模型并揭示影响其变形的主要因素，分析了不同工艺参数对浆料涂层厚度的影响规律。最后利用制备的多层复杂陶瓷型芯完成了实际工况下的单晶叶片的浇注验证。
本文第一作者为胡可辉博士，吕志刚研究员为通讯作者，论文合作者还包括北京十维科技有限责任公司工程师陆宽和中国科学院金属研究所梁静静副研究员。该研究工作得到了国家重点研发计划的资助。