钛酸钾晶须增强的硅基陶瓷型芯3D打印制备方法与流程

本发明涉及的是一种陶瓷型芯领域的技术，具体是一种钛酸钾晶须增强的硅基陶瓷型芯3d打印制备方法。

背景技术：

目前的航空发动机用高温合金涡轮叶片的复杂空心结构仍多采用以石英玻璃为主要原料的硅基陶瓷型芯来实现成形，而硅基陶瓷型芯本身的耐火度较低，高温强度和抗高温蠕变等力学性能较差，且通过热压注工艺所制备的陶瓷型芯的复杂程度受限于模具，因此普通的热压注硅基陶瓷型芯已经逐渐不能满足复杂结构高温合金空心涡轮叶片的制造需求，而陶瓷的3d打印技术针对普通的硅基陶瓷型芯材料所存在的高温强度低以及陶瓷纤维在浆料和型芯中分布不均匀的问题依旧无法克服。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种钛酸钾晶须增强的硅基陶瓷型芯3d打印制备方法，使硅基陶瓷型芯在显著提高高温强度的同时，能够保持良好的碱液溶出性能。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种钛酸钾晶须增强的硅基陶瓷型芯3d打印制备方法，通过将石英玻璃粉、硅酸锆粉和钛酸钾晶须干混制成陶瓷芯料后进一步加入光固化树脂并球磨共混得到陶瓷型芯料浆，经过3d打印逐层固化得到陶瓷型芯素坯，再将陶瓷型芯素坯置于陶瓷匣钵的轻质氧化镁粉中，在型芯烧结炉中烧结得到陶瓷型芯，最后经硅酸乙酯水解液强化后得到钛酸钾晶须增强的硅基陶瓷型芯。

所述的型芯料浆的组分及含量优选为：质量百分比含量为80-94wt％的石英玻璃粉、2-5wt％的硅酸锆粉、3-15％钛酸钾晶须。

所述的石英玻璃粉，其中sio2含量≥99wt％，粒度分布1-100μm。

所述的硅酸锆粉，其中fe2o3杂质含量≤0.1wt％，粒度分布1-30μm。

所述的钛酸钾晶须，长度为1-20μm，直径为0.3-1μm，化学成分为k2o·6tio2。

所述的光固化树脂，其用量占陶瓷芯料30-50wt％。

所述的光固化树脂为含有光引发剂的水性聚氨酯丙烯酸酯、水性环氧丙烯酸酯或聚酯丙烯酸酯中的任意一种，其粘度≤270cps(30℃)，能够在紫外光照射下固化，而将陶瓷粉体结合在一起。

所述的3d打印，具体为：通过计算机建立陶瓷型芯的3d模型，再按层分解，将3d模型分解成一系列厚度为25-75μm的二维模型，然后将建立好的3d模型数据输入紫外光固化3d打印机中，并设置打印程序，再将陶瓷型芯料浆注入到3d打印机中，通过紫外光逐层扫描固化方式，将二维薄片逐层固化堆积成型，得到陶瓷型芯素坯。

所述的陶瓷型芯素坯，优选在无水乙醇中进行浸泡，去除多余的未固化树脂，每次浸泡时间为5-10min，浸泡次数为2-4次。

所述的陶瓷型芯素坯，优选经二次固化，即将陶瓷型芯素坯放入到紫外固化箱中继续固化1-5h。

所述的烧结，优选步骤具体为：升温至200℃保温2h、再升温至500℃保温2h、再升温1000℃保温2h，然后升至1200℃下保温2h，升温速度均为30℃/h，随炉冷却至室温后出炉。

所述的硅基陶瓷型芯，优选在烧结后进行表面吹粉清理，并用型芯量具进行检测后修型。

所述的强化是指：将型芯放入装有硅酸乙酯水解液的容器中，然后将容器置于负压环境下，使硅酸乙酯水解液能够渗透到型芯的孔隙当中，浸泡时间保持2h，然后摆放在架子上晾干24h，最后于150℃下干燥2h，获得钛酸钾晶须增强的硅基陶瓷型芯。

所述的硅酸乙酯水解液，优选的组分及质量百分比含量为：硅酸乙酯34.3％、无水乙醇25％、异丙醇1.5％、丙二醇甲醚13％、酸性硅溶胶25.8％、盐酸(20％质量浓度)0.4％，经混合原料并搅拌得到。

本发明通过上述方法制备得到的酸钾晶须增强的硅基陶瓷型芯，其所采用的所有原料均为市售，型芯经烧结与强化处理后，孔隙率高于20％，表面粗糙度低于3.2μm，室温和1500℃的高温抗弯强度均高于30mpa，1500℃下的高温挠度低于1mm，在碱液中易于脱除。技术效果

本发明整体解决了现有技术的硅基陶瓷型芯高温力学性能不足，且成形受限于模具的问题。与现有技术相比，本发明不需要设计和制作压制型芯的模具，以及经历合模、脱模等过程，即可实现复杂结构硅基陶瓷型芯的直接成形，缩短了研发和制造周期，且产品设计自由度高，出现误差，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。由于钛酸钾增强的硅基陶瓷型芯的表面粗糙度低，尺寸精度高，高温强度大，抗高温变形性能优良，因此在新一代航空发动机涡轮叶片的制造领域具有广阔的应用前景，同时也可以应用于高性能燃气轮机的涡轮叶片定向凝固精密铸造中。

附图说明

图1为本发明的陶瓷型芯3d打印制备的工艺流程图；

图2为钛酸钾晶须的微观形貌照片；

图3为本发明的陶瓷型芯的微观形貌照片。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本实施例涉及的一种钛酸钾晶须增强的硅基陶瓷型芯的制备方法，包括如下步骤：

1)型芯料浆制备：将80wt％的石英玻璃粉、5wt％的硅酸锆粉、15％如图2所示的钛酸钾晶须加入到v型混料机中，强制搅拌干混5h，得到陶瓷芯料；将占陶瓷芯料50wt％的水性聚氨酯丙烯酸酯加入到行星式球磨机中，再按照比例加入陶瓷芯料，进行球磨共混，混合时间为30min，获得陶瓷型芯料浆。

2)型芯素坯的3d打印：通过计算机建立陶瓷型芯的3d模型，再由计算机按层分解，将3d模型分解成一系列厚度为25μm的二维模型。将建立好的3d模型数据输入紫外光固化3d打印机中，并设置打印程序，再将步骤1)中获得的陶瓷型芯料浆注入到3d打印机中，通过紫外光逐层扫描固化方式，将二维薄片逐层固化堆积成型，得到陶瓷型芯素坯。将素坯在无水乙醇中进行浸泡，去除多余的未固化树脂，每次浸泡时间为5min，清洗次数为4次。

3)型芯素坯的二次固化：将步骤2)获得的陶瓷型芯素坯放入到紫外固化箱中继续固化5h。

4)型芯烧结：将步骤3)获得的陶瓷型芯素坯置于陶瓷匣钵的轻质氧化镁粉中，在型芯烧结炉中进行烧结；型芯烧结温度为：升温至200℃保温2h、再升温至500℃保温2h、再升温1000℃保温2h，然后升至1200℃下保温2h，升温速度均为30℃/h，随炉冷却至室温后出炉。

5)型芯修型：将烧结好的陶瓷型芯进行表面吹粉清理后，用型芯量具进行检测后修型。

6)型芯强化：将型芯放入装有硅酸乙酯水解液的容器中，将容器置于负压环境下，使硅酸乙酯水解液能够渗透到型芯的孔隙当中，浸泡时间保持2h，然后摆放在架子上晾干24h，最后于150℃下干燥2h，获得最终产品。

经检测，采用上述工艺制备的陶瓷型芯，烧结后的陶瓷型芯如图3所示，其孔隙率为28.98％，表面粗糙度(ra)为3.12μm，室温抗弯强度为39.46mpa，1500℃下的抗弯强度为30.13mpa，1500℃下的高温挠度为0.64mm；经在脱芯液(koh水溶液)浓度60wt％、压力2.8mpa、温度360℃的脱芯釜中进行8h的脱芯试验，该陶瓷型芯的溶解率达到100％。以上检测结果表明，该陶瓷型芯适用于高温合金空心叶片的定向凝固成型。

实施例2

本实施例涉及的一种钛酸钾晶须增强的硅基陶瓷型芯的制备方法，包括如下步骤：

1)型芯料浆制备：将87wt％的石英玻璃粉、3wt％的硅酸锆粉、10wt％的钛酸钾晶须加入到v型混料机中，强制搅拌干混3h，得到陶瓷芯料；将占陶瓷芯料40wt％的水性环氧丙烯酸酯加入到行星式球磨机中，再按照比例加入陶瓷芯料，进行球磨共混，混合时间为45min，获得陶瓷型芯料浆。

2)型芯素坯的3d打印：通过计算机建立陶瓷型芯的3d模型，再由计算机按层分解，将3d模型分解成一系列厚度为50μm的二维模型。将建立好的3d模型数据输入紫外光固化3d打印机中，并设置打印程序，再将步骤1)中获得的陶瓷型芯料浆注入到3d打印机中，通过紫外光逐层扫描固化方式，将二维薄片逐层固化堆积成型，得到陶瓷型芯素坯。将素坯在无水乙醇中进行浸泡，去除多余的未固化树脂，每次浸泡时间为7min，清洗次数为3次。

3)型芯素坯的二次固化：将步骤2)获得的陶瓷型芯素坯放入到紫外固化箱中继续固化3h。

4)型芯烧结：将步骤3)获得的陶瓷型芯素坯置于陶瓷匣钵的轻质氧化镁粉中，在型芯烧结炉中进行烧结；型芯烧结温度为：升温至200℃保温2h、再升温至500℃保温2h、再升温1000℃保温2h，然后升至1200℃下保温2h，升温速度均为30℃/h，随炉冷却至室温后出炉；

5)型芯修型：将烧结好的陶瓷型芯进行表面吹粉清理后，用型芯量具进行检测后修型。

6)型芯强化：将型芯放入装有硅酸乙酯水解液的容器中，将容器置于负压环境下，使硅酸乙酯水解液能够渗透到型芯的孔隙当中，浸泡时间保持2h，然后摆放在架子上晾干24h，最后于150℃下干燥2h，获得最终产品。

经检测，采用上述工艺制备的陶瓷型芯，烧结后的孔隙率为27.68％，表面粗糙度(ra)为2.98μm，室温抗弯强度为41.45mpa，1500℃下的抗弯强度为32.37mpa，1500℃下的高温挠度为0.53mm；经在脱芯液(koh水溶液)浓度60wt％、压力2.8mpa、温度360℃的脱芯釜中进行8h的脱芯试验，该陶瓷型芯的溶解率达到100％。以上检测结果表明，该陶瓷型芯适用于高温合金空心叶片的定向凝固成型。

实施例3

本实施例涉及的一种钛酸钾晶须增强的硅基陶瓷型芯的制备方法，包括以下步骤：

1)型芯料浆制备：将94wt％的石英玻璃粉、2wt％的硅酸锆粉、4wt％钛酸钾晶须加入到v型混料机中，强制搅拌干混2h，得到陶瓷芯料；将占陶瓷芯料30wt％的水性聚氨酯丙烯酸酯加入到行星式球磨机中，再按照比例加入陶瓷芯料，进行球磨共混，混合时间为60min，获得陶瓷型芯料浆。

2)型芯素坯的3d打印：通过计算机建立陶瓷型芯的3d模型，再由计算机按层分解，将3d模型分解成一系列厚度为75μm的二维模型。将建立好的3d模型数据输入紫外光固化3d打印机中，并设置打印程序，再将步骤1)中获得的陶瓷型芯料浆注入到3d打印机中，通过紫外光逐层扫描固化方式，将二维薄片逐层固化堆积成型，得到陶瓷型芯素坯。将素坯在无水乙醇中进行浸泡，去除多余的未固化树脂，每次浸泡时间为10min，清洗次数为2次。

3)型芯素坯的二次固化：将步骤2)获得的陶瓷型芯素坯放入到紫外固化箱中继续固化1h。

4)型芯烧结：将步骤3)获得的陶瓷型芯素坯置于陶瓷匣钵的轻质氧化镁粉中，在型芯烧结炉中进行烧结；型芯烧结温度为：升温至200℃保温2h、再升温至500℃保温2h、再升温1000℃保温2h，然后升至1200℃下保温2h，升温速度均为30℃/h，随炉冷却至室温后出炉；

5)型芯修型：将烧结好的陶瓷型芯进行表面吹粉清理后，用型芯量具进行检测后修型。

6)型芯强化：将型芯放入装有硅酸乙酯水解液的容器中，将容器置于负压环境下，使硅酸乙酯水解液能够渗透到型芯的孔隙当中，浸泡时间保持2h，然后摆放在架子上晾干24h，最后于150℃下干燥2h，获得最终产品。

经检测，采用上述工艺制备的陶瓷型芯，烧结后的孔隙率为24.44％，表面粗糙度(ra)为2.47μm，室温抗弯强度为40.28mpa，1500℃下的抗弯强度为33.16mpa，1500℃下的高温挠度为0.38mm；经在脱芯液(koh水溶液)浓度60wt％、压力2.8mpa、温度360℃的脱芯釜中进行8h的脱芯试验，该陶瓷型芯的溶解率达到100％。以上检测结果表明，该陶瓷型芯适用于高温合金空心叶片的定向凝固成型。

目前，以钛酸钾晶须作为增强相，结合3d打印工艺制备陶瓷型芯的技术还未见文献报道。实施例结果表明，本发明工艺过程简单，无需模具即可直接实现具有较好的高温力学性能和脱除性能的硅基陶瓷型芯的3d打印制备，周期短、成本低、效率高，适用于各种镍基高温合金空心涡轮叶片的定向凝固成型。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。