基于整體式陶瓷鑄型的復(fù)雜零件快速鑄造技術(shù)

吳海華 杜 軒 李 力

（1.三峽大學(xué)機(jī)械與材料學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049）

高質(zhì)量的陶瓷鑄型制備是熔模鑄造工藝最為關(guān)鍵的工藝環(huán)節(jié).傳統(tǒng)的陶瓷鑄型制備采取分開(kāi)制備型芯、型殼再組合工藝的策略，其基本過(guò)程如下:先利用壓力注射成型工藝成型陶瓷型芯坯體，經(jīng)脫脂、高溫?zé)Y(jié)后獲得預(yù)制陶瓷型芯；再將預(yù)制陶瓷型芯裝配到蠟?zāi)Ｄ＞咧?，注蠟成型，獲得蠟?zāi)＃辉谙災(zāi)Ｉ戏磸?fù)涂掛多層陶瓷漿料，待漿料干燥硬化后得到型殼，熔化蠟?zāi)?，高溫焙燒獲得陶瓷鑄型［1－2］.采取這種型芯型殼組合技術(shù)，某種程度上可降低復(fù)雜的金屬模具開(kāi)發(fā)難度，但也會(huì)帶來(lái)裝配誤差，從而影響型芯與型殼之間相對(duì)精度，導(dǎo)致偏芯、穿孔缺陷產(chǎn)生；此外，由于金屬模具開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，成本高，一般需要3～6個(gè)月，耗費(fèi)幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)元，因此傳統(tǒng)的陶瓷鑄型制備工藝冗長(zhǎng)復(fù)雜，效率極其低下［3］.熔模鑄造工藝只適合大批量鑄件生產(chǎn)，而不適合于單件、小批量鑄件生產(chǎn)及新產(chǎn)品開(kāi)發(fā).

將快速成形技術(shù)與熔模鑄造集成一起可以顯著提高陶瓷鑄型（包括型芯、型殼）的制備效率，實(shí)現(xiàn)快速鑄造，滿(mǎn)足新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、單件小批量鑄件生產(chǎn)需要［4－6］.最常見(jiàn)的是利用各種商用快速成形制造系統(tǒng)如 SLS、SL、FDM、MM II、3D－P、SGC、Actua 和LOM等快速為熔模鑄造工藝提供蠟?zāi)；蛳災(zāi)Ｌ娲?近年來(lái)，出現(xiàn)了一種直接鑄型制造工藝，它應(yīng)用累加成形原理直接將鑄型CAD模型轉(zhuǎn)換成實(shí)物模型.如清華大學(xué)研制的無(wú)模砂型制造工藝PCM（Patternless Casting Modeling）、美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校Dechard C R研制的選擇性激光燒結(jié)鑄型工藝、美國(guó)MIT研制的三維印刷鑄型工藝、德國(guó)Generis公司開(kāi)發(fā)的砂型快速成形工藝以及陶瓷漿料直接光固化成型工藝等［7－8］.由于無(wú)需準(zhǔn)備模型和模具，因此直接鑄型制造時(shí)間短，型殼型芯采取同一種材料同時(shí)成形，固定連接在一起，位置精度也容易保證，但其成形效率和表面質(zhì)量有待進(jìn)一步提高.

凝膠注模成型是繼注漿成型、注射成型之后發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)的近凈陶瓷坯體成型工藝，其成型能力僅受模具本身復(fù)雜程度的限制［9－11］.本文將光固化快速成形技術(shù)和凝膠注模成型技術(shù)集成在一起，開(kāi)發(fā)一種快速制造整體式陶瓷鑄型新工藝，利用光固化快速成形技術(shù)提供可燒失性樹(shù)脂模具，利用凝膠注模成型工藝實(shí)現(xiàn)陶瓷鑄型型芯／型殼一體化結(jié)構(gòu)快速制備，并以之為過(guò)渡模型，生產(chǎn)出復(fù)雜鑄件.圖1為整體式陶瓷鑄型快速制造工藝基本過(guò)程，包括光固化樹(shù)脂原型設(shè)計(jì)與制備、凝膠注模成型整體式陶瓷鑄型坯體、冷凍干燥、燒失光固化樹(shù)脂原型和高溫?zé)Y(jié)等.

圖1 整體式陶瓷鑄型快速制造工藝基本過(guò)程

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

選用粗細(xì)兩種粒徑（D50分別為25μm和5μm）電熔剛玉粉末（由山東省淄博星光磨料廠提供）作為基體材料，其化學(xué)組成見(jiàn)表1.選擇氧化鎂、氧化釔微粉作為礦化劑，質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為99.99%.選擇聚酰亞胺微粉（PI）為耐高溫添加劑，聚丙烯酸鈉溶液（質(zhì)量濃度為30%）為分散劑.選擇去離子水和硅溶膠（質(zhì)量濃度為30%）作為溶劑，丙烯酰胺（CH3CONH2，AM）、N，N′－亞甲基雙丙烯酰胺（C7H10N2O2，MBAM）分別為有機(jī)單體和交聯(lián)劑，過(guò)硫酸銨（（NH4）2S2O8）和 N，N，N′N(xiāo)′－四甲基已二胺（C6H16N2）分別為引發(fā)劑和催化劑.

表1 電熔剛玉化學(xué)成分

按照凝膠注模成型工藝制備陶瓷漿料［12－14］.先將AM和MBAM（質(zhì)量比為24∶1）溶入去離子水和硅溶膠（其體積比為1∶1）中，制成質(zhì)量濃度為15%的預(yù)混液，按照固相粉末質(zhì)量的2.5%加入分散劑，用濃氨水調(diào)節(jié)預(yù)混液pH值為11，再分批加入已混合均勻的電熔剛玉顆粒、礦化劑及PI微粉，球磨2～3h，獲得低粘度（0.735Pa·S）高固相（56vol%）的陶瓷漿料.

按照預(yù)混液質(zhì)量的0.1%和0.02%先后加入引發(fā)劑水溶液和催化劑水溶液（質(zhì)量濃度為25%），把陶瓷漿料灌注到預(yù)先準(zhǔn)備好的樹(shù)脂原型中，并施加振動(dòng)場(chǎng)（振動(dòng)幅度為1～3mm，振動(dòng)頻率為30～60Hz），保證陶漿充滿(mǎn)原型內(nèi)腔，隨后在引發(fā)劑、催化劑作用下陶漿原位固化形成整體式陶瓷鑄型坯體；將預(yù)凍后陶瓷鑄型坯體（預(yù)凍柜溫度為－30℃）置于FD－0.5 m2型真空冷凍干燥機(jī)中（由浙江三雄機(jī)械制造有限公司提供），通過(guò)升華除去其中水分；最后將陶瓷鑄型坯體轉(zhuǎn)入GZL－400／480型高溫鐘罩爐中（由合肥日新高溫技術(shù)有限公司提供），從100℃緩慢升溫至300℃，保溫0.5h，再快速升溫至1550℃，保溫4h后，隨爐冷卻至室溫，出爐，用0.1～0.2MPa壓縮空氣吹凈陶瓷鑄型內(nèi)殘留灰分，獲得整體式陶瓷鑄型.

1.2 性能測(cè)試

測(cè)量?jī)龈汕昂蟮奶沾膳黧w試樣長(zhǎng)度變化，計(jì)算干燥收縮率，試樣尺寸為Φ4mm×50mm；選用PCY型熱膨脹儀（由湘潭湘儀儀器有限公司提供）測(cè)量SL樹(shù)脂原型試樣受熱膨脹變化規(guī)律，試樣尺寸為Ф10 mm×50mm，從室溫以10℃／h升溫至330℃，每10℃自動(dòng)記錄試樣膨脹值；選用 NETZSCHSTA449C型熱重－差熱分析儀測(cè)試 DSM Somos14120光敏樹(shù)脂熱失重過(guò)程（以10℃／min升溫至800℃，空氣條件下）；用GKZ數(shù)顯式材料高溫抗折儀（由湘儀儀器公司提供）測(cè)量不同燒結(jié)溫度下（保溫1h）陶瓷坯體抗彎強(qiáng)度（兩支點(diǎn)距離為30mm，加載速度6～8mm／min，試樣尺寸為60mm×10mm×4mm）.

2 結(jié)果與討論

2.1 光固化樹(shù)脂原型設(shè)計(jì)與制備

在整體式陶瓷鑄型制備工藝中，光固化樹(shù)脂原型既可代替“熔?！保肿鳛椤靶托灸＞摺笔褂?，陶瓷漿料填充其中，一次性獲得連接成一體的陶瓷型芯、型殼坯體.圖2為CAD模型及光固化樹(shù)脂原型，它由零件原型1、工藝模殼2、金屬液澆注系統(tǒng)原型3和陶瓷漿料澆注系統(tǒng)4等4部分.零件原型1與工藝模殼2組合形成中空的型腔，為了避免因型殼過(guò)于厚大而影響鑄型的冶金工藝性能，它們之間的距離控制在6～8mm之間.陶瓷漿料澆注系統(tǒng)4的作用是將陶瓷漿料平穩(wěn)地導(dǎo)入到樹(shù)脂原型型腔中.金屬澆注系統(tǒng)原型3燒失后，包裹它的坯體形成陶瓷澆注系統(tǒng)，用于高溫金屬液澆注.利用SPS450B型快速成形機(jī)（西安交通大學(xué)研制）制備出光固化樹(shù)脂原型件，用丙酮清理多余的液態(tài)樹(shù)脂（DSM Somos14120），紫外光二次固化后，待用.

圖2 CAD模型及光固化樹(shù)脂原型

2.2 冷凍干燥

干燥是凝膠注模成型最為關(guān)鍵的工藝環(huán)節(jié)，空干是最常用的干燥方法，為了防止陶瓷坯體失水不均而產(chǎn)生干燥內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致變形、開(kāi)裂，干燥早期，應(yīng)嚴(yán)格控制溫度和濕度，盡可能在低溫高濕環(huán)境下緩慢除去最初的20%～30%水分，待陶瓷顆粒開(kāi)始相互接觸后再提高溫度、降低濕度，增加失水速率.空干失水過(guò)程非常緩慢，一般需要3～7d，空干時(shí)陶瓷鑄型坯體會(huì)產(chǎn)生較大的收縮變形.例如，當(dāng)固相體積分?jǐn)?shù)為55vol%時(shí)，陶瓷坯體干燥收縮率達(dá)到2.1%，雖然通過(guò)提高固相體積分?jǐn)?shù)可以減小收縮率，但會(huì)增大陶瓷漿料粘度，影響陶瓷漿料流動(dòng)性.在樹(shù)脂原型燒失前，濕態(tài)陶瓷坯體始終被剛性樹(shù)脂原型“包裹”，干燥收縮必然會(huì)受到樹(shù)脂原型的阻礙而形成臨時(shí)內(nèi)應(yīng)力，此時(shí)陶瓷鑄型坯體強(qiáng)度非常低，因此，極易形成干燥裂紋.本文將冷凍干燥工藝引入厚大陶瓷鑄型坯體干燥處理，研究表明陶瓷鑄型坯體中約94%去離子水以自由水、可凍結(jié)結(jié)合水形式存在，它們可以在－10℃之下先凍結(jié)成冰晶，然后以水蒸氣形式直接升華出去（真空度為100～200Pa，采取輻射方式加熱，加熱鋁板溫度控制在50℃以下）.凍干時(shí)由于不再存在使坯體收縮的固／液界面張力，此外，冰晶升華后留下許多微小的孔洞占據(jù)了一定的體積空間，因此，凍干后陶瓷鑄型坯體幾乎不發(fā)生收縮變形，其干燥收縮率接近于零，例如當(dāng)固相體積分?jǐn)?shù)為55vol%時(shí)，陶瓷坯體的凍干收縮率僅為0.32%.這樣可顯著降低臨時(shí)內(nèi)應(yīng)力大小，防止干燥裂紋在濕態(tài)陶瓷鑄型坯體內(nèi)部形成.

2.3 光固化樹(shù)脂原型熱解

整體式陶瓷鑄型坯體干燥完畢后，需安全燒蝕掉零件原型及坯體中的有機(jī)粘結(jié)劑（聚丙烯酰胺），凝膠注模成型坯體中有機(jī)粘結(jié)劑含量少，僅占4wt.%，可以直接用燒結(jié)爐燒蝕掉［15］.但光固化樹(shù)脂原型的熱膨脹系數(shù)比陶瓷型殼的熱膨脹系數(shù)大，熱解時(shí)陶瓷型殼由于受到樹(shù)脂原型的擠壓力作用而開(kāi)裂，采取QuickCast技術(shù)將樹(shù)脂原型內(nèi)部設(shè)計(jì)成蜂窩狀結(jié)構(gòu)可有效地防止型殼開(kāi)裂［16］.

圖3是SL樹(shù)脂原型試樣熱膨脹量變化曲線(xiàn).在100℃之前，試樣熱膨脹量很??；在100℃之后，隨著溫度升高而增大，并在270℃時(shí)達(dá)到最大值；隨后，試樣熱膨脹量迅速減小，在300℃時(shí)出現(xiàn)了明顯的收縮現(xiàn)象.

圖3 SL樹(shù)脂原型試樣熱膨脹量變化曲線(xiàn)

圖4是DSM Somos14120的TG－DTA曲線(xiàn)，表明光固化樹(shù)脂試樣在289℃時(shí)已失去其總重量的9.5%，隨后進(jìn)入快速失重階段，當(dāng)溫度達(dá)到600℃時(shí)，試樣基本完全燒蝕.當(dāng)溫度超過(guò)了300℃，由于光固化樹(shù)脂原型進(jìn)入快速失重階段，并出現(xiàn)明顯的收縮，因此，不會(huì)對(duì)型殼產(chǎn)生擠壓力作用，型殼不存在開(kāi)裂的危險(xiǎn).從熱膨脹角度分析，在100～300℃溫度區(qū)間型殼最有可能開(kāi)裂.研究表明在該溫度區(qū)間采取緩慢熱解工藝策略可以先使樹(shù)脂原型表面碳化，形成“緩沖層”，從而減少樹(shù)脂原型對(duì)型殼擠壓作用，可有效地防止型殼開(kāi)裂.具體工藝如下:鑄型坯體100℃入爐，以20～30℃／h升溫至300℃并保溫1h.

圖4 DSM Somos14120的TG－DTA曲線(xiàn)

在凝膠注模成型工藝中，聚丙烯酰胺的存在可明顯提高坯體抗彎強(qiáng)度（達(dá)到12.0MPa），遠(yuǎn)高于多層式陶瓷型殼（約3.0MPa），但在樹(shù)脂原型燒失過(guò)程中，聚丙酰烯胺也會(huì)隨之熱解，坯體抗彎強(qiáng)度會(huì)迅速下降，300℃保溫1h后只有1.3MPa，而當(dāng)溫度升高至500℃，抗彎強(qiáng)度下降至零，研究表明氧化鎂微粉從900～1200℃開(kāi)始與電熔剛玉中細(xì)小顆粒開(kāi)始反應(yīng)，生成了多晶相MgAl2O3，起到連接電熔剛玉顆粒的作用.因此，在500～900℃整體式陶瓷鑄型坯體中經(jīng)歷一個(gè)近零強(qiáng)度區(qū)域（如圖5所示），陶瓷顆粒處于自然堆積狀態(tài)，在其自身重力的作用下，型芯極有可能坍塌.

圖5 陶瓷鑄型坯體抗彎強(qiáng)度隨溫度變化曲線(xiàn)

為了防止坍塌缺陷產(chǎn)生，在保證陶瓷漿料流動(dòng)性不受影響的前提下，本文在陶瓷漿料中添加少量的聚酰亞胺微粉（PI）和硅溶膠.PI是一種耐高溫聚合物，能在相對(duì)高溫下較長(zhǎng)時(shí)間使用，常溫下PI是一種熱固性樹(shù)脂黃色粉末，當(dāng)溫度升高至100～200℃，PI開(kāi)始軟化流動(dòng)，滲入到陶瓷坯體顆粒間隙中，繼續(xù)升溫，發(fā)生交聯(lián)固化，提高了坯體在200～500℃溫度區(qū)域的抗彎強(qiáng)度（如圖5所示），彌補(bǔ)了因聚丙酰烯胺燒失后而引起的強(qiáng)度下降；硅溶膠作為一種無(wú)機(jī)粘接劑，其內(nèi)部含有納米二氧化硅（20nm），增大了燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力，降低了陶瓷坯體燒結(jié)起始溫度.在600℃納米二氧化硅與小顆粒電熔剛玉已開(kāi)始了燒結(jié)反應(yīng)形成莫來(lái)石，使坯體強(qiáng)度明顯增加.為了更加有效地防止空間交錯(cuò)的型芯坍塌，在300℃以后采取快速燒結(jié)工藝策略（以360～480℃／h升溫至1550℃，保溫4h），以便在短時(shí)間內(nèi)建立強(qiáng)度.

2.4 與傳統(tǒng)陶瓷鑄型制造工藝比較

圖6和圖7分別為傳統(tǒng)的熔模鑄造組合式陶瓷鑄型制造工藝流程和基于光固化樹(shù)脂原型的整體式陶瓷鑄型制造工藝流程.與組合式陶瓷鑄型制造工藝相比，整體式陶瓷鑄型在模型／模具制備和陶瓷鑄型成型兩個(gè)工藝環(huán)節(jié)充分發(fā)揮了SL技術(shù)和凝膠注模成型技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，節(jié)約了陶瓷鑄型制造時(shí)間，整體式陶瓷鑄型制備只需要15.5～24.5d，因此新方法更適合新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、單件、小批量產(chǎn)品快速鑄造.

3 實(shí) 例

空心渦輪葉片是一種復(fù)雜的薄壁結(jié)構(gòu)件，其內(nèi)部包含有內(nèi)部冷卻通道，葉身上分布有許多冷卻氣膜孔，葉片制造十分困難，被業(yè)內(nèi)譽(yù)為“王冠上的明珠”.傳統(tǒng)葉片熔模鑄造工藝過(guò)程復(fù)雜，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，成本高，而采用基于整體式陶瓷鑄型葉片制造工藝，不僅簡(jiǎn)化工藝流程、縮短時(shí)間、降低生產(chǎn)成本，而且可以直接鑄造出所有的冷卻氣膜孔，避免因激光加工或電火花加工所帶來(lái)的再鑄層、微裂紋缺陷.圖8（a）是利用整體式陶瓷鑄型鑄造的空心渦輪葉片（材料為20CrNiMo），澆注前將陶瓷鑄型預(yù)熱至1050℃，保溫1～2h，再將1600℃高溫金屬液澆注其中，待凝固冷卻后，清除掉陶瓷型殼、型芯，再經(jīng)噴砂和酸洗處理，獲得與零件原型1一致的葉片鑄件.圖8（b）為葉片鑄件的另一側(cè)面，葉片輪廓清晰，結(jié)構(gòu)完整，氣膜孔被直接鑄出，圖8（c）為零件樹(shù)脂原型.

圖8 葉片鑄件及其光固化樹(shù)脂原型

4 結(jié) 論

本文將光固化快速成形技術(shù)與凝膠注模成型技術(shù)結(jié)合在一起，用可燒失性光固化樹(shù)脂原型代替熔模鑄造工藝中蠟?zāi)＃＞?，快速制備了整體式陶瓷鑄型，實(shí)現(xiàn)了光固化樹(shù)脂原型向復(fù)雜精密鑄件的轉(zhuǎn)換，為新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，單件、小批量復(fù)雜精密鑄件生產(chǎn)提供了一種新方法.有待進(jìn)一步開(kāi)展整體式陶瓷鑄型成型精度研究，真正實(shí)現(xiàn)高精度的復(fù)雜鑄件快速制造.

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