陶瓷型芯与粘结剂砂型芯比较,具有型芯强度及耐火度高、透气性好,铸件表面光洁、尺寸精度好等多优点,不会产生夹砂、断流缺陷,能成形各类带细长流道的复杂铸件,是高端复杂铸件的常用铸造型芯,航空发动机空心叶片的铸造即采用陶瓷芯。采用3D打印快速成形陶瓷型芯实现快速铸造是快速成形技术研究应用的重要领域。分层挤出成形技术是一种基于浆料挤出的新型快速成形方法,与选择性激光烧结、微喷粘接等常用快速成形技术相比,分层挤出成形陶瓷型芯能够在常温、无需激光辐射的条件下成形三维陶瓷样品,具有设备成本低、材料体系绿色环保等突出优点,拓宽了快速成型技术在铸造领域的应用。本文基于分层沉积挤出(快速成形)思想,将高强度陶瓷型芯材料与整体分层沉积成型结合起来,制造复杂陶瓷铸造型芯,为各类复杂铸件精密快速铸造奠定理论与技术基础。本课题在国家自然科学基金面上项目“复杂陶瓷铸造型芯分层沉积挤出成型及其精确控制研究(No.51775204)”的资助下,系统地研究了分层挤出成形铸造用陶瓷型芯的精度控制与性能调控等若干关键问题,为陶瓷型芯快速低成本地成形奠定了理论基础,具有较大的理论与实际意义。本文的主要内容如下:(1)研制构建了成形尺寸为200mm′200mm′150mm的单挤出头分层挤出成形装置,该装置由机械系统、挤出系统与控制系统三大模块构成。机械系统采用Z轴与X、Y轴分离的运动结构,保证了成形过程中的精度控制需求同时满足机械设计中的承重负载;挤出系统采用气动活塞挤出模式。通过理论分析计算得出,在挤出过程中挤出头直径越大、长度越小,成形所需要的的气体压力越小。通过ANSYS对挤出过程模拟,发现流速与施加的气压成正比,实际可提供0.1～1MPa的成形圧力,满足分层挤出成形浆料挤出的要求;控制系统通过继电器连接控制机械系统与挤出系统,采用上下位机控制模式输送挤出信号与运动信号。经反复测试,设备在X-Y-Z三轴位置精度可达0.05mm,X-Y轴重复定位精度可达0.03mm,Z轴重复定位精度可达0.015mm。(2)系统研究了浆料组成与工艺参数对分层挤出成形陶瓷试样尺寸精度与表面质量的影响。研究结果表明:适用于分层挤出成形的陶瓷浆料需同时具有可挤出性与成形性,即要求陶瓷浆料具有剪切变稀的流变性能和足够的支撑强度(屈服应力>200Pa)。优化成形工艺参数使挤出的陶瓷丝材具有板状结构与适宜的沉积速度是提高制件形貌完整性与尺寸精度的前提条件。分别采用了单因素试验与正交试验研究了层高取值、挤出头内径与打印速度对陶瓷制件尺寸精度的影响规律及机理,当氧化铝固含量为50vol.%,挤出头内径为0.40mm,层高取值为挤出头内径的70%,打印速度为10mm/s时可显著提高分层挤出成形试样的尺寸精度与表面粗糙度。(3)系统研究了不同高分子水溶液粘结剂对分层挤出成形氧化铝陶瓷坯体及烧结后性能的影响。通过采用不同种类的高分子粘结剂,证实了粘结剂体系显著影响分层挤出成形陶瓷的坯体强度与烧结性能。氧化铝陶瓷坯体的强度与内部高分子形成的三维网络密度紧密相关,当采用25wt.%PVP作粘结剂时,氧化铝陶瓷坯体干燥后的抗弯强度可达25.44MPa。干燥后的陶瓷坯体经高温烧结可获得一定的抗弯强度与显气孔率,且抗弯强度与显气孔率成反比关系。经实际浇注验证,在铝合金自然浇注时,氧化铝陶瓷型壳经过750℃预热保温后浇注,能够承受液态金属的热冲击,且铸件的形状与尺寸维持较好。(4)为了提高氧化铝陶瓷坯体的抗弯强度和降低氧化铝的烧结温度,采用纳米氧化物分散液-高分子水溶液纳米增强粘结剂体系进行性能改善。研究结果表明:当粘结剂中引入纳米添加剂时,纳米颗粒极易吸附在氧化铝颗粒表面甚至填充在氧化铝颗粒间的缝隙中,增加陶瓷坯体内部颗粒之间的接触且提高陶瓷坯体的致密度,从而提高氧化铝陶瓷坯体抗弯强度提高、降低干燥收缩率;添加纳米Si O2、Ti O2或Zr O2有利于降低氧化铝的烧结温度,使氧化铝陶瓷在较低烧结温度下获得高强度,而添加纳米MgO由于在烧结后形成了脆性相反而使氧化铝陶瓷抗弯强度降低,当向体系中加入高岭土改性时,氧化铝-高岭土-纳米MgO体系可在1300℃烧结后获得高强度。