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)?；在蠟?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，滿足新產(chǎn)品開發(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′－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，光固化樹脂原型既可代替“熔模”，又作為“型芯模具”使用，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）制備出光固化樹脂原型件，用丙酮清理多余的液態(tài)樹脂（DSM Somos14120），紫外光二次固化后，待用.

圖2 CAD模型及光固化樹脂原型

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.在樹脂原型燒失前，濕態(tài)陶瓷坯體始終被剛性樹脂原型“包裹”，干燥收縮必然會(huì)受到樹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脂原型的擠壓力作用而開裂，采取QuickCast技術(shù)將樹脂原型內(nèi)部設(shè)計(jì)成蜂窩狀結(jié)構(gòu)可有效地防止型殼開裂［16］.

圖3是SL樹脂原型試樣熱膨脹量變化曲線.在100℃之前，試樣熱膨脹量很?。辉?00℃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樹脂原型試樣熱膨脹量變化曲線

圖4是DSM Somos14120的TG－DTA曲線，表明光固化樹脂試樣在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脂原型表面碳化，形成“緩沖層”，從而減少樹脂原型對(duì)型殼擠壓作用，可有效地防止型殼開裂.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

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℃開始與電熔剛玉中細(xì)小顆粒開始反應(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

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是一種熱固性樹脂黃色粉末，當(dāng)溫度升高至100～200℃，PI開始軟化流動(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）為零件樹脂原型.

圖8 葉片鑄件及其光固化樹脂原型

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)了光固化樹脂原型向復(fù)雜精密鑄件的轉(zhuǎn)換，為新產(chǎn)品開發(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.

［1］Barnett S O.Investment Casting－the Multi－process Technology［J］.Foundry Trade Journal International，1988，11（3）:4－8.

［2］Jones S，Yuan C.Advances in Shell Moulding for Investment Casting［J］.Journal of Materials Processing Technology，2003，135:258－265.

［3］Rooks B.Rapid Tooling for Casting Prototypes［J］.Assembly Automation，2002，22（1）:40－45.

［4］Dickens P M.Conversion of RP Models to Investment Castings［J］.Rapid Prototyping Journal，1995，1（4）:4－11.

［5］Dotchev K，Soe S.Rapid Manufacturing of Patterns for Investment Casting:Improvement of Quality and Success Rate［J］.Rapid Prototyping Journal，2006，12（3）:156－164.

［6］Corcione C E.Silica Moulds Built by Stereolithography［J］.Journal of Materials Science，2005，40（18）:4899－4904.

［7］王樹杰，顏永年，楊偉東.基于RP工藝的直接鑄型制造方法探討［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2003，22（3）:461－464.

［8］Corcione C E.Free form Fabrication of Silica Moulds for Aluminium Casting by Stereolithography［J］.Rapid Prototyping Journal，2006，12（4）:184－488.

［9］Dhara S.Shape Forming of Ceramics Via Gelcasting of Aqueous Particulate Slurries［J］.Bulletin of Materials Science，2002，25（6）:565－568.

［10］Yang J L，Dai C L，Huang Y.Controllable Forming Technology in Gelcasting［C］.in Pricm 5:the Fifth Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing，Pts 1－5.2005:1325－1328.

［11］Niihara K.Fabrication of Complex－shaped Alumina／Nickel Nanocomposites by Gelcasting Process［J］.Journal of the European Ceramic Society，2004，24（12）:3419－3425.

［12］Gilissen U R，J.P.E.，A.Smolders，E.Vanswijgenhoven，J.Luyten，Gelcasting，a Near Net Shape Technique［J］.Materials and Design，2000，21:251－257.

［13］Kim B S.Gelcasting Process of Al2O3／Ni Nanocomposites［J］.Materials Letters，2004，58（1－2）:17－20.

［14］Tong J F，Chen D M.Preparation of Alumina by Aqueous Gelcasting［J］.Ceramics International，2004，30（8）:2061－2066.

［15］Omatete O O，Janney M A，Nunn S D.Gelcasting:From Laboratory Development Toward Industrial Production［J］.Journal of the European Ceramic Society，1997，17（2－3）:407－413.

［16］Yao W L，Leu M C.Analysis and Design of Internal Web Structure of Laser Stereolithography Patterns for Investment Casting［J］.Materials ＆ Design，2000.21（2）:101－109.