[发明专利]原位生成莫来石晶须增强的硅基陶瓷型芯及其3D打印制备方法

说明书

本发明公开原位生成莫来石晶须增强的硅基陶瓷型芯及其3D打印制备方法。所述制备方法包括以下步骤：1）按照型芯料浆的组成准备各原料并将其混合均匀以形成型芯料浆；2）采用光固化3D打印方法将型芯料浆成型为型芯素坯；3）将型芯素坯烧结并利用三氟化铝促使γ‑氧化铝和石英玻璃原位反应生成的莫来石晶核定向生长为莫来石晶须；4）将烧结后的型芯素坯浸泡于硅酸乙酯水解液中，在负压环境下使硅酸乙酯水解液渗透进入型芯素坯的孔隙，然后干燥获得原位生成莫来石晶须增强的硅基陶瓷型芯。上述原位生成莫来石晶须增强的硅基陶瓷型芯的制备方法，不再需要设计和制作压制型芯的模具，可直接制备出高性能的陶瓷型芯素坯。

技术领域

本发明属于陶瓷型芯制备技术领域，具体涉及一种原位生成莫来石晶须增强的硅基陶瓷型芯及其3D打印制备方法。

背景技术

高温合金涡轮叶片是航空发动机的关键热端部件之一，其性能对于航空发动机推重比和可靠性的提升具有重要的影响。目前，涡轮叶片的主要材料为镍基高温合金，提高其承温能力的主要技术手段包括热障涂层和空心气冷技术，而所采用的制造工艺主要为定向凝固熔模铸造。

镍基高温合金空心叶片的制造流程主要包括：将陶瓷型芯通过模具压入叶片的蜡模中，然后将带有型芯的蜡模进行组合，得到模组，再经沾浆、淋砂、干燥、脱蜡、焙烧等制备出叶片定向凝固成型用陶瓷型壳；之后，将型壳放置在真空定向凝固炉中进行叶片的拉制，最后对叶片进行清壳、脱芯、后处理与检测，最终获得空心涡轮叶片成品。在涡轮叶片的制造过程中，陶瓷型芯是关键的耗材之一，也是实现叶片空心结构成型的关键所在，在空心涡轮叶片的制造中长期占据重要的地位。陶瓷型芯一般由石英玻璃、氧化铝等陶瓷材料通过热压注工艺制备。采用传统的压芯机制备陶瓷型芯，虽然可以获得性能优良的陶瓷型芯，但是成型与否与成型精度仍受限于模具。随着叶片空心结构的日益复杂化，模具自身的制造难度也随之增加，甚至模具的制造水平已经难以跟上空心结构设计的步伐，因此亟待寻求新的技术来实现复杂结构陶瓷型芯的制备。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种原位生成莫来石晶须增强的硅基陶瓷型芯及其3D打印制备方法，在显著提高硅基陶瓷型芯高温强度的同时，能够保持良好的碱液溶出性能。

为了达到上述目的，本发明提供以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种原位生成莫来石晶须增强的硅基陶瓷型芯的3D打印制备方法。所述制备方法包括以下步骤：

1)按照型芯料浆的组成准备各原料并将其混合均匀以形成型芯料浆；所述型芯料浆包括陶瓷芯料和光固化树脂，其中，所述陶瓷芯料包括80-95wt％的石英玻璃粉、3-12wt％的γ-氧化铝粉和2-8％的三氟化铝粉；

2)采用光固化3D打印方法将型芯料浆成型为型芯素坯；

3)将型芯素坯烧结并利用三氟化铝促使γ-氧化铝和石英玻璃原位反应生成的莫来石晶核定向生长为莫来石晶须；

4)将烧结后的型芯素坯浸泡于硅酸乙酯水解液中，在负压环境下使硅酸乙酯水解液渗透进入型芯素坯的孔隙，然后干燥获得原位生成莫来石晶须增强的硅基陶瓷型芯。

上述原位生成莫来石晶须增强的硅基陶瓷型芯的制备方法，成功将硅基材料的易溶于碱液脱除特性、莫来石晶须的原位增强作用以及可成型复杂精细结构的3D打印技术相结合，充分发挥三者的优势，不再需要设计和制作压制型芯的模具，也无需经历合模、脱模等过程，可直接制备出高性能的陶瓷型芯素坯，缩短了研发和制造周期。而且，所得硅基陶瓷型芯产品的设计自由度高，可直接在计算机中修改三维模型尺寸以及3D打印工艺参数克服误差，利于规模化、个性化生产。