中国科学技术大学材料学院（中科院金属所）李金国 周亦胄 孙晓峰：《采用立体光刻三维印刷方法对陶瓷芯样品进行模型选择》
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- 发布时间：2022-06-07 11:18
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中空高温合金或单晶高温合金涡轮叶片是第五代及以上战斗机先进航空发动机最重要的部件。涡轮进口温度对推重比的影响很大，这对涡轮叶片在高温工况下的性能有严格的要求。为了降低叶片的工作温度，需要复杂的内部冷却结构。然而，叶片内部复杂冷却通道的制造无疑是一项具有挑战性的任务。
2021年，中国科学技术大学李金国 周亦胄 孙晓峰教授课题组，针对为陶瓷芯材的制备提供了一种高效、快速的方法的SLA-3DP技术仍存在一些技术问题，进行了机理性研究：首先，采用传统工艺制备的尺寸为40 × 10 × 4mm的长方体陶瓷芯样，采用一次性压力注射直接成型。采用光固化陶瓷3D打印工艺制造陶瓷芯时，需要考虑长、宽、高方向与印刷z轴方向的关系。因此，如何为不同的模型选择合适的样品来代表立体光刻三维印刷制造的陶瓷芯是一个至关重要的问题。其次，在烧结过程中，3d打印坯体的微观结构发生变化，陶瓷芯的性能和尺寸精度受到收缩的影响。通过系统研究陶瓷芯样品在烧结过程中的烧结机理及高温对其的影响，研究了烧结与陶瓷芯尺寸精度、烧结微观结构、从而实现sla-3dp烧结陶瓷芯的精确“形状控制”和“性能控制”。因此，系统研究了陶瓷芯样品3D打印方向的选择和烧结温度对3D打印陶瓷芯性能的影响。
图1所示。(A)陶瓷芯样品的三种打印模型示意图;(B)三种陶瓷芯样品打印模型的打印切片层数;(C)脱脂和烧结工艺概况。
图2所示。在室温F、G和1550℃高温H、I下对不同型号打印、不同温度烧结的陶瓷芯样品进行了缩孔率A、B、C、容重D、开孔率E和抗弯强度的测试，以模拟铸件热处理。
图3所示。(A)模型1、模型2、模型3试样1250℃烧结后的断裂位置、裂纹、气孔示意图;(B)模型1、(C)模型2、(D)模型3从垂视图、前视图和侧视图分别观察裂缝扩展行为和孔隙分布;(E)三种型号打印陶瓷芯样品三点弯曲试验示意图;(F) 1250℃烧结模型1、模型2、模型3室温抗弯性能三维模型断口图。
图4所示。陶瓷芯样品在1100℃、1150℃、1200℃、1250℃不同温度下打印、烧结后的表面宏观结构SEM图像
图5所示。(A)模型2中打印的1200℃烧结陶瓷芯样品在25, 950, 1150, 1350, 1350, 1550℃加热过程和1000, 500, 30℃真空冷却过程中模拟铸造热处理的高温x射线衍射(XRD)图;(B)三种型号打印1200℃烧结陶瓷芯样品的室温XRD谱图;(C)三种模型打印的1200℃烧结陶瓷芯样品在1550℃弯曲强度测试后的室温XRD谱图
该研究成果为揭示了光固化3D打印型芯的成型机理，并为3D打印型芯提供了新的研究思路，以“Sample selection for models to represent ceramic cores fabricated by stereolithography three-dimensional printing” 为题发表在Journal of Materials Science & Technology（IF=8.1）
论文原文链接为： //doi.org/10.1016/j.jmst.2021.12.058。
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