本發(fā)明屬于陶瓷型芯材料設(shè)計(jì)及制備，具體涉及一種基于光固化3d打印的硅基陶瓷型芯及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、眾所周知，陶瓷型芯是制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、機(jī)匣類(lèi)承力件等帶有空心結(jié)構(gòu)的熔模精密鑄件的轉(zhuǎn)接件，其作用是形成空心鑄件的內(nèi)腔形狀。陶瓷型芯的質(zhì)量和性能在很大程度上決定了空心葉片的質(zhì)量、性能、尺寸精度、合格率和鑄造成本，然而陶瓷型芯的材料設(shè)計(jì)和制備技術(shù)一直是空心葉片鑄造領(lǐng)域的瓶頸，這就需要不斷優(yōu)化和改進(jìn)陶瓷型芯的材料配方和成型工藝。

2、目前，陶瓷型芯的制備方法多為熱壓注成型工藝，但是面對(duì)當(dāng)今結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜的陶瓷型芯，采用傳統(tǒng)的制備方法難以滿(mǎn)足對(duì)陶瓷型芯的質(zhì)量需求和性能需求，采用傳統(tǒng)方法制備陶瓷型芯，存在產(chǎn)品質(zhì)量較低（比如性能低、尺寸精度低、內(nèi)外部存在缺陷等）、生產(chǎn)周期較長(zhǎng)、成本較高等缺陷。采用3d打印技術(shù)能夠制備結(jié)構(gòu)復(fù)雜的陶瓷型芯，而且尺寸精度有很大提高，同時(shí)避免了模具制備，縮短了制備周期，降低了生產(chǎn)成本，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)的陶瓷型芯制備工藝的不足。

3、光固化3d打印（dlp）技術(shù)相較于其他3d打印技術(shù)，其打印零件的分辨率更高，這使得光固化3d打印技術(shù)成為制造高度復(fù)雜陶瓷零件的最佳選擇。光固化3d打印技術(shù)采用紫外光照射光敏樹(shù)脂陶瓷漿料，陶瓷漿料中的光敏樹(shù)脂發(fā)生交聯(lián)固化反應(yīng)，使得陶瓷漿料固化成型，但是由于陶瓷漿料主要由陶瓷顆粒、光固化樹(shù)脂、光引發(fā)劑、分散劑以及其它助劑組成，所以當(dāng)陶瓷漿料發(fā)生固化時(shí)，陶瓷顆粒將進(jìn)行光散射，這將導(dǎo)致光偏離并橫向傳播產(chǎn)生過(guò)量的固化區(qū)域。在這種機(jī)制下，所制備的陶瓷型芯坯體的水平固化尺寸大于設(shè)計(jì)尺寸，從而導(dǎo)致坯體的精度降低和整體性能降低，此外還會(huì)導(dǎo)致坯體的層間強(qiáng)度降低，進(jìn)而使坯體在后續(xù)鑄造過(guò)程中發(fā)生斷裂。由于陶瓷型芯的質(zhì)量和性能直接影響葉片鑄件的質(zhì)量和性能，所以亟需開(kāi)發(fā)一種基于光固化3d打印的硅基陶瓷型芯及其制備方法，以提高陶瓷型芯和空心葉片的質(zhì)量和性能。

4、申請(qǐng)公布號(hào)為cn117534451a的發(fā)明專(zhuān)利公開(kāi)了一種3d打印硅基陶瓷型芯制備方法及其應(yīng)用，該方法包括以下步驟：將1,6-乙二醇二丙烯酸酯、環(huán)氧丙烯酸酯、三羥甲基丙烷三丙烯酸酯和聚氨酯丙烯酸酯混合后，加入2?,4?,6-三甲基苯甲酰基-乙氧基-苯基氧化膦、油酸和分散劑byk-111，攪拌混合得到預(yù)混液；將熔融石英粉粗粉、細(xì)粉按質(zhì)量比8：2混合，再與白剛玉、硅酸鋯按質(zhì)量比17：2：1混合，再加入金屬硅粉，混合均勻得到混合料，金屬硅粉為混合后熔融石英粉質(zhì)量的0.4％，熔融石英粉粗粉的平均粒徑為22.1μm、細(xì)粉的平均粒徑為4.89μm；向混合料中加入預(yù)混液，以1200rpm/min轉(zhuǎn)速球磨30min得到陶瓷漿料；將陶瓷漿料加入3d打印機(jī)中制備陶瓷型芯坯體，曝光功率23mw/cm2、曝光時(shí)間6s、切片厚度100μm；以1℃/min的升溫速率將陶瓷型芯坯體從室溫加熱至200℃，再以1℃/min的升溫速率加熱至204℃、保溫1h，再以1℃/min的升溫速率加熱至378℃、保溫1h，再以1℃/min的升溫速率加熱至488℃、保溫1h，再以2℃/min的升溫速率加熱至600℃、保溫1h，最后以2℃/min的升溫速率加熱至1200℃、保溫6h，自然冷卻至室溫，即得到3d打印硅基陶瓷型芯。該技術(shù)方案雖然能夠提高陶瓷型芯本身的機(jī)械性能，但為了能夠?qū)⑵渲苯佑糜谥苽涓哔|(zhì)量、高性能的空心葉片，還需要進(jìn)一步調(diào)整陶瓷型芯的材料配比和工藝參數(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于光固化3d打印的硅基陶瓷型芯，所述硅基陶瓷型芯中各物質(zhì)占所述硅基陶瓷型芯的質(zhì)量百分比為，陶瓷漿料占50-65wt%、丙烯酸酯類(lèi)光敏樹(shù)脂占30-45wt%、分散劑占2-6wt%、光引發(fā)劑占1-3wt%；所述陶瓷漿料中各物質(zhì)占所述陶瓷漿料的質(zhì)量百分比為，熔融石英粉占80-90wt%、礦化劑占10-20wt%；所述熔融石英粉包括五檔粒徑，分別為37.5-50μm、25-37.5μm、17.5-25μm、10-17.5μm、0μm-10μm。

2、優(yōu)選的是，所述粒徑為37.5-50μm、25-37.5μm、17.5-25μm、10-17.5μm、0μm-10μm的熔融石英粉分別占所述熔融石英粉的質(zhì)量百分比為10-15wt%、20-35wt%、10-20wt%、20-40wt%、10-20wt%。

3、在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述礦化劑中各物質(zhì)占所述礦化劑的質(zhì)量百分比為，石墨烯占0.5-5wt%、白剛玉占20-30wt%、硅酸鋯占30-50wt%、金屬硅粉占25-35wt%；所述石墨烯包括兩檔粒徑，分別為15.0-24.8μm、4.8-15.0μm；所述白剛玉包括三檔粒徑，分別為18.0-24.8μm、12.5-18.0μm、4.8-12.5μm；所述硅酸鋯和所述金屬硅粉均包括一檔粒徑，分別為4.2-5.7μm和6.3-10.8μm。

4、在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述粒徑為15.0-24.8μm、4.8-15.0μm的石墨烯分別占所述石墨烯的質(zhì)量百分比為30-45wt%、55-70wt%；所述粒徑為18.0-24.8μm、12.5-18.0μm、4.8-12.5μm的白剛玉分別占所述白剛玉的質(zhì)量百分比為20-35wt%、40-50wt%、20-35wt%。

5、在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述丙烯酸酯類(lèi)光敏樹(shù)脂中各物質(zhì)占所述丙烯酸酯類(lèi)光敏樹(shù)脂的質(zhì)量百分比為，丙烯酸酯類(lèi)單體占50-70wt%、丙烯酸酯類(lèi)低聚物占30-50wt%；所述丙烯酸酯類(lèi)單體中各物質(zhì)占所述丙烯酸酯類(lèi)單體的質(zhì)量百分比為，二丙二醇二丙烯酸酯占50-70wt%、丙烯酸異冰片酯占20-30wt%、甲基丙烯酸異冰片酯占10-20wt%；所述丙烯酸酯類(lèi)低聚物中各物質(zhì)占所述丙烯酸酯類(lèi)低聚物的質(zhì)量百分比為，聚氨酯丙烯酸酯占60-80wt%、有機(jī)硅聚合聚氨酯丙烯酸酯占20-40wt%。

6、在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述有機(jī)硅聚合聚氨酯丙烯酸酯的制備方法為，將聚氨酯丙烯酸酯與苯基三乙氧基硅烷在二月桂酸二丁基錫的催化作用下進(jìn)行反應(yīng)即可；所述有機(jī)硅聚合聚氨酯丙烯酸酯中各物質(zhì)占所述有機(jī)硅聚合聚氨酯丙烯酸酯的質(zhì)量百分比為，聚氨酯丙烯酸酯占70-88wt%、苯基三乙氧基硅烷占10-28wt%、二月桂酸二丁基錫占1-3wt%，反應(yīng)溫度為85-95℃，反應(yīng)時(shí)間為5-8h。

7、在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述分散劑中各物質(zhì)占所述分散劑的質(zhì)量百分比為，油酸占60-70wt%、聚乙二醇占30-40wt%。

8、在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述光引發(fā)劑中各物質(zhì)占所述光引發(fā)劑的質(zhì)量百分比為，2,4-二羥基二苯甲酮占50-65wt%、2,4,6-三甲基苯甲?；?二苯基氧化膦占25-45wt%、2,4,6-三甲基苯甲?；交⑺嵋阴フ?-15wt%。

9、本發(fā)明還提供一種基于光固化3d打印的硅基陶瓷型芯的制備方法，用于制備上述任一項(xiàng)所述的基于光固化3d打印的硅基陶瓷型芯，按照先后順序包括以下步驟：

10、步驟一：按照設(shè)計(jì)要求制備硅基陶瓷漿料，使所制備的硅基陶瓷漿料達(dá)到一定的粘度；

11、步驟二：將盛有硅基陶瓷漿料的容器放入抽真空設(shè)備中，并對(duì)硅基陶瓷漿料進(jìn)行抽真空處理，使硅基陶瓷漿料內(nèi)部達(dá)到完全沒(méi)有氣泡的狀態(tài)；

12、步驟三：將硅基陶瓷漿料放入倒置式陶瓷3d打印設(shè)備的料槽中，并按照設(shè)計(jì)要求打印硅基陶瓷型芯坯體；

13、步驟四：對(duì)硅基陶瓷型芯坯體進(jìn)行脫脂和燒結(jié)處理，即可獲得硅基陶瓷型芯。

14、優(yōu)選的是，步驟一中，所述硅基陶瓷漿料的制備方法，按照先后順序包括以下步驟：

15、步驟（1）：按照設(shè)計(jì)要求稱(chēng)取各原材料備用；

16、步驟（2）：將丙烯酸酯類(lèi)單體中的各物質(zhì)和丙烯酸酯類(lèi)低聚物中的各物質(zhì)放入混合容器中攪拌均勻，形成液體混合物；

17、步驟（3）：將分散劑中的各物質(zhì)加入混合容器中攪拌均勻，再將光引發(fā)劑中的各物質(zhì)加入混合容器中繼續(xù)攪拌均勻，進(jìn)一步形成液體混合物；

18、步驟（4）：將礦化劑中各檔粒徑的石墨烯、各檔粒徑的白剛玉和液體混合物同時(shí)放入球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，球磨轉(zhuǎn)速為300-400rpm、球磨時(shí)間為30-40min，再將礦化劑中的硅酸鋯和金屬硅粉加入球磨機(jī)中繼續(xù)進(jìn)行球磨，球磨轉(zhuǎn)速為300-400rpm、球磨時(shí)間為10-20min；

19、步驟（5）：將粒徑為17.5-25μm、10-17.5μm、0μm-10μm的熔融石英粉加入球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，球磨轉(zhuǎn)速為300-400rpm、球磨時(shí)間為30-40min，再將粒徑為37.5-50μm、25-37.5μm的熔融石英粉加入球磨機(jī)中繼續(xù)進(jìn)行球磨，球磨轉(zhuǎn)速為300-400rpm、球磨時(shí)間為20-30min，即可獲得硅基陶瓷漿料，此時(shí)硅基陶瓷漿料的粘度為800-1400?mpa·s。

20、步驟二中，對(duì)硅基陶瓷漿料進(jìn)行抽真空處理，真空度為﹣0.6～﹣0.7bar，保壓時(shí)間為5-10min。

21、步驟三中，在打印硅基陶瓷型芯坯體的過(guò)程中，涉及的主要工藝參數(shù)為，固化功率3-7mw/cm2、固化時(shí)間2-5s、固化厚度75-125μm。

22、步驟四中，對(duì)硅基陶瓷型芯坯體進(jìn)行脫脂和燒結(jié)處理的工藝制度為，將硅基陶瓷型芯坯體放入管式爐內(nèi)，抽真空至真空度為﹣0.6～﹣0.8bar；以1-3℃/min的升溫速率從室溫升到200℃，保溫0.5-3h；繼續(xù)以0.5-1.5℃/min的升溫速率從200℃升到489℃，保溫1-3h；繼續(xù)以0.5-1.5℃/min的升溫速率從489℃升到600℃，保溫1-3h；繼續(xù)以1-5℃/min的升溫速率從600℃升到1220℃，保溫5-8h；繼續(xù)以1-3℃/min的降溫速率從1220℃降到800℃，保溫1-2h；繼續(xù)以3-10℃/min的降溫速率從800℃降到300℃，然后隨爐冷卻。

23、本發(fā)明中，熔融石英粉包括五檔粒徑，分別為37.5-50μm、25-37.5μm、17.5-25μm、10-17.5μm、0μm-10μm，即37.5μm≤粒徑＜50μm、25μm≤粒徑＜37.5μm、17.5μm≤粒徑＜25μm、10μm≤粒徑＜17.5μm、0μm≤粒徑＜10μm；石墨烯包括兩檔粒徑，分別為15.0-24.8μm、4.8-15.0μm，即15.0μm≤粒徑＜24.8μm、4.8μm≤粒徑＜15.0μm；白剛玉包括三檔粒徑，分別為18.0-24.8μm、12.5-18.0μm、4.8-12.5μm，即18.0μm≤粒徑＜24.8μm、12.5μm≤粒徑＜18.0μm、4.8μm≤粒徑＜12.5μm；硅酸鋯和金屬硅粉均包括一檔粒徑，分別為4.2-5.7μm和6.3-10.8μm，即4.2μm≤粒徑＜5.7μm和6.3μm≤粒徑＜10.8μm。對(duì)于每檔粒徑而言，將物料依次經(jīng)過(guò)上、下兩個(gè)篩孔后獲得的粒徑介于上、下兩個(gè)篩孔之間的物料，比如：粒徑為37.5-50μm（37.5μm≤粒徑＜50μm），即將物料依次經(jīng)過(guò)50μm篩孔和37.5μm篩孔后獲得的粒徑在37.5-50μm之間的物料。

24、本發(fā)明中，在硅基陶瓷型芯的整個(gè)制備過(guò)程中，各組分的質(zhì)量百分比、各組分中各粒徑的質(zhì)量配比、各組分的添加順序、各步驟的工藝參數(shù)等都非常關(guān)鍵，尤其要嚴(yán)格控制熔融石英粉、石墨烯和白剛玉的級(jí)配，同時(shí)還要嚴(yán)格控制有機(jī)硅聚合聚氨酯丙烯酸酯的制備工藝，只有將各參數(shù)進(jìn)行協(xié)同作用，才能達(dá)到本發(fā)明所預(yù)期的技術(shù)效果。本發(fā)明中，加入石墨烯通過(guò)抑制紫外光的散射，從而提高其固化精度，同時(shí)加入石墨烯可以通過(guò)石墨烯的氧化反應(yīng)抑制其收縮，降低其收縮率。使用有機(jī)硅聚合聚氨酯丙烯酸酯制備的硅基陶瓷漿料具有更低的粘度，這是由于有機(jī)硅聚合聚氨酯丙烯酸酯中存在含硅基團(tuán)，其與熔融石英顆粒之間具有良好的潤(rùn)濕性。本發(fā)明所使用的抽真空設(shè)備、倒置式陶瓷3d打印設(shè)備、管式爐、球磨機(jī)等均為本領(lǐng)域的常用設(shè)備，對(duì)設(shè)備型號(hào)和結(jié)構(gòu)不做特殊要求，球磨介質(zhì)為氧化鋯，球料比為3:2。

25、本發(fā)明基于光固化3d打印的硅基陶瓷型芯及其制備方法，具有如下有益效果：

26、（1）本發(fā)明所制備的硅基陶瓷型芯具有較高的尺寸精度，同時(shí)具有較高的層間強(qiáng)度，整個(gè)硅基陶瓷型芯的層間強(qiáng)度與層內(nèi)強(qiáng)度均勻一致，且層間沒(méi)有缺陷，確保了陶瓷型芯在后續(xù)鑄造過(guò)程中不會(huì)發(fā)生斷裂，進(jìn)而確保后續(xù)澆注的葉片鑄件具有較高的綜合性能。

27、（2）本發(fā)明所制備的硅基陶瓷型芯可直接用于制備葉片鑄件，不需要進(jìn)行預(yù)先處理。