光固化3D打印渦輪發動機空心葉片陶瓷型芯的性能要求與制備難點
熔模鑄造為大批量生產形狀復雜的金屬零件提供了一種經濟型工藝，從而在鑄造復雜形狀金屬零部件時被廣泛應用。渦輪發動機的空心高溫合金葉片是復雜零件熔模鑄造的一個典型例子。空心渦輪葉片處于渦輪發動機溫度最高、應力最復雜、環境最惡劣的關鍵位置，其結構、材料和制備工藝成為近30年來國內外關注的熱點，承溫能力成為國家熱動力設備先進程度的重要標志，性能水平在一定意義上也是衡量國家綜合制造能力的顯著標志之一。
分享的研究成果，總結了目前國內外光固化3D打印增材制造渦輪發動機空心葉片用的陶瓷型芯的研究進展，歸納了空心葉片陶瓷型芯的性能要求及制備難點。針對光固化3D打印增材制造技術制備陶瓷型芯過程中的收縮、變形和開裂問題，從漿料配制、固化機理研究和脫脂、燒結工藝控制等方面的研究現狀進行了綜述，并對解決方案進行了探討。綜合目前的研究現狀，結合渦輪發動機空心葉片的發展趨勢，對光固化增材制造陶瓷型芯領域的發展進行了展望，認為光固化3D打印制備渦輪發動機空心葉片的陶瓷型芯是未來發展的重要方向。
為提高葉片承溫能力和高溫強度，相關研究基本沿著葉片材料高溫性能、冷卻結構設計和熱障涂層3個方向發展。
光固化3D打印陶瓷技術的發展為更復雜結構陶瓷型芯的制造工藝帶來前所未有的機遇和挑戰。其原理是以計算機設計的三維模型為基礎，利用計算機“切片”軟件將復雜的三維實體模型“切”成特定厚度的一系列片層，再把“切片”得到的二維圖形逐層疊加而得到三維零部件實體。與傳統制備工藝相比，可以通過修改和完善計算機三維模型而快速獲得葉片內腔的新結構。光固化3D打印制備空心葉片陶瓷型芯的技術具有加快空心葉片冷卻流道結構升級速度且不增加成本、無需模具、零時間交付等優勢，為更復雜冷卻流道結構的空心葉片成形提供了新的選擇。
由于光固化3D打印技術特性，在陶瓷型芯制備過程中容易出現明顯的收縮、變形和開裂問題，因此陶瓷型芯制備精度難以保證，這極大的限制了該技術在空心葉片陶瓷型芯領域的廣泛運用。針對上述問題，研究課題組從漿料配制、固化機理研究和脫脂、燒結工藝控制等方面綜述了研究現狀，并探討了解決方案。結合渦輪發動機空心葉片的發展趨勢，對光固化增材制造陶瓷型芯領域的發展進行了展望。
1 陶瓷漿料制備對光固化行為的影響
從20世紀90年代開始，美國、法國、德國、荷蘭、意大利、奧地利等國家開始對光固化3D打印技術進行了研究，國內近年來也對其開展了大量的工作，主要集中于高校和研究所。隨著光固化快速成型技術研究的深入，早期國外少數先進制造企業開始在精密鑄造領域嘗試利用快速成型技術制造陶瓷型殼或型芯來替代蠟模，DTM公司利用選擇激光燒結（SLS）技術對包覆樹脂的陶瓷粉末進行加工獲得用于熔模鑄造的陶瓷型殼；德國Generis公司用逐層平鋪的砂床噴灑樹脂和催化劑，從而使鑄型逐層固化成型；美國Soligen公司用三維打印（3DP）以陶瓷粉末為原材料、硅溶膠為粘結劑直接成形型殼。李滌塵等結合空心葉片熔模鑄造技術提出空心葉片整體式陶瓷鑄型工藝。GRIFFITH M L等、BAE C J等在團隊長期（1994年以來）從事光固化快速成型技術研究的基礎上，首次報道了通過陶瓷立體光刻法（SLA）制造的整體式陶瓷鑄型。
光固化3D打印型芯-型殼一體化制造在國內外精密鑄造領域備受關注，成為長期的關注熱點。但長久以來該技術一直停留在研發階段，2018年中國科學院金屬研究所熔模精密鑄造中的運用示范》項目得到了國家重點研發計劃“增材制造與激光制造”重點專項的資助，該運用示范項目有望將光固化3D打印在精密鑄造領域從研發階段向運用階段推進，對光固化3D打印技術的發展和工業化運用也具有較大的促進意義。研究課題組針對國內外對光固化3D打印的漿料制備、光固化機理和脫脂-燒結工藝相關的研究進行了綜述。
陶瓷漿料的制備是良好打印效果的關鍵前提。空心葉片陶瓷型芯的漿料應具備良好的流動性、較小的粘度和較高的固含量，以保證光固化3D打印過程中漿料良好鋪展特性和固化后足夠的素坯強度。另一方面，為了達到固化過程中的固化精度、脫脂-燒結過程中較小的收縮特性和較好的燒結特性，要求漿料選用合適的光敏樹脂單體、紫外光吸收劑、光引發劑和礦化劑及陶瓷粉末的粒度配比。
圖1為光固化陶瓷漿料的組成成分及其功能，漿料主要由液相的光敏樹脂和固相陶瓷粉末組成，其液相主要由通過交聯反應決定素坯強度的單體樹脂和固化劑（或稱為交聯劑）、通過調節紫外光吸收率和固化速率來調控固化精度和單體轉化率的紫外光引發劑和抑制劑，以及調節漿料粘度和沉降性的其他助劑組成；其固相組分主要包括基體陶瓷粉末和礦化劑。其中難點主要集中于漿料流變性和穩定性控制、漿料固化速率的調控及陶瓷型芯燒結收縮、燒結特性的研究。
圖1 光固化陶瓷漿料的成分及功能
表1為陶瓷漿料制備的液相調控的研究進展總結，液相成分的研究和調控對光固化生坯的性能會產生一定的影響。
近年來研究者對光固化陶瓷漿料的固相成分也進行了大量的研究，并對其影響機制進行了討論，結果見表2。
2 光固化機理與陶瓷型芯性能的關系
為了解決陶瓷型芯制備過程中容易出現明顯的收縮、變形和開裂導致的陶瓷型芯制備精度難以保證的問題，對其光固化機理進行了廣泛的研究。近年來對其開展的研究主要集中于固化厚度、光衰減機制、層間結合和打印精度等方面。
GENTRY S P等對紫外光固化3D打印的固化厚度和寬度進行了廣泛的討論和研究。固化深度和寬度隨陶瓷平均直徑和單體濃度的增加而增加；固化寬度隨漿料中固含量的增加而降低，但固化深度隨固含量的增加而增加；固化深度和寬度均隨紫外光掃描速度的降低而減小。漿料的成分和固化參數都對高固含量漿料的固化行為有很大的影響，這表明配方是陶瓷漿料固化行為的內在因素，而固化參數是外部因素。對于在單體和粉末之間存在較小折射率差的漿料，大部分能量沿直線傳播。只有小部分能量被散射，折射率比值的增加會增加散射的能量。從而，改變粉末顆粒密度、尺寸和折射率可以改變漿料中的固化寬度和固化深度。陶瓷脫脂和燒結過程陶瓷型芯的開裂和失效一般都是從打印層的層間開裂的，光衰減對層間結合強度的影響是巨大的。
3D打印層間的結合強度直接影響光固化3D打印陶瓷零件的質量，用打印層的二次固化（隨后的曝光中由衰減的紫外光引起的固化層的再固化現象）以表示層間的結合程度。漿料層位于最接近固化層的底部，在曝光中，光固化發生在漿料層中，同時在固化層與漿料層之間形成中間層，見圖2。
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