一种光固化增材制造零烧结收缩铝基陶瓷型芯材料

本发明涉及陶瓷材料增材制造，具体为一种光固化增材制造零烧结收缩铝基陶瓷型芯材料。

背景技术：

1、采用陶瓷材料制造的型芯具有良好的高温力学性能与化学稳定性，可用于高精度空心涡轮叶片的制造。当前，随着技术的进步，传统的热压注法已逐渐难以满足复杂程度高的陶瓷型芯的加工需求。增材制造技术的发展使通过增材方式得到具有更高复杂度和更短生产周期的陶瓷型芯成为可能。其中，基于光固化的增材制造工艺具有成形精度高的优势，可以用于制造高精度复杂形状的陶瓷型芯。但是在基于立体光刻技术的增材制造过程中，由于用于打印的材料中的粘结剂含量较多，得到的陶瓷型芯烧结收缩率较高，对型芯的尺寸精度控制产生了不利影响，限制了陶瓷型芯在工业应用中的进一步推广。

2、现有技术一是专利公开号为cn114853450a的一种光固化3d打印氧化铝基陶瓷型芯及其制备方法，其中公开了一种光固化3d打印氧化铝基陶瓷型芯及其制备方法，通过采用粗、中、细三种氧化铝陶瓷粉料进行级配，得到高固含量并具有粉料级配的光固化氧化铝基陶瓷型芯浆料，之后经过光固化3d打印、脱脂和烧结之后获得具有优良的力学性能的陶瓷型芯。

3、现有技术一的缺点为该技术虽然对高孔隙率陶瓷型芯的力学性能进行了改进，但是未对陶瓷浆料的烧结收缩性能进行优化。

4、现有技术二是专利公开号为cn114082896a的一种光固化3d打印铝基陶瓷型芯及其制备方法，其中提出了一种光固化3d打印铝基陶瓷型芯及其制备方法，通过对有机纤维通孔剂、淀粉造孔剂进行混合处理并干燥得到混合纤维料，再将混合纤维料、包含骨架粉体和填料的混合粉体以及光固化树脂预聚液进行混合处理后获得铝基陶瓷型芯浆料，通过光固化3d打印、脱脂和烧结之后获得具有更高开孔隙率和更好脱除性能的铝基陶瓷型芯。

5、现有技术二的缺点为技术考虑了当前存在的陶瓷型芯的烧结精度问题，并针对该问题进行了材料的改进，通过增加通孔剂使铝基陶瓷型芯的烧结开裂倾向降低，但是没有对陶瓷浆料本身的烧结收缩性能进行改进。

技术实现思路

1、(一)解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了一种光固化增材制造零烧结收缩铝基陶瓷型芯材料，能够制备出烧结收缩率为零并且综合性能优良的复杂陶瓷型芯。

3、(二)技术方案

4、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种光固化增材制造零烧结收缩铝基陶瓷型芯材料，其浆料是由光敏树脂、分散剂和陶瓷粉体构成，其中所述光敏树脂按照体积比占35-45vol％，陶瓷粉体占体积比55-60vol％以及分散剂按照陶瓷粉体质量的1-5％进行添加，且光敏树脂中含有0.4-1％的光引发剂。

5、陶瓷粉体的组分按质量百分比包括：70wt％氧化铝、8wt％蓝晶石和22wt％氧化硅。

6、光敏树脂是由hdda树脂、pptta树脂、peg400da树脂和hema树脂组成，且hdda树脂、pptta树脂、peg400da树脂和hema树脂的含量比例为：hdda：pptta：peg400da：hema＝1：2：3：1。

7、优选的，所述hdda树脂和pptta树脂分别为双官能团和四官能团uv单体，其是作为构建固化强度的重要成分。

8、优选的，所述peg400da树脂作为双官能团长链uv单体增加打印生坯的柔韧性，减小脱脂过程的开裂。

9、优选的，所述hema树脂为低粘度活性稀释剂，其用于降低浆料的黏度。

10、优选的，所述氧化铝的粒度为10-30um，蓝晶石粒度为10-30um，氧化硅粒度为30-50um。

11、优选的，所述光引发剂为tpo。

12、本发明还提供了一种光固化增材制造零烧结收缩铝基陶瓷型芯材料的成形工艺，所述具体包括以下步骤：

13、s1、将光敏树脂、光引发剂、分散剂加入容器并混合均匀得到uv粘接剂；机械搅拌时间不少于10min，室温不高于35℃，环境湿度不高于40％；

14、s2、将陶瓷粉体与uv粘接剂按比例加入容器，并机械搅拌均匀，获得陶瓷浆料；

15、s3、将步骤s2中得到的陶瓷浆料转移至尼龙球磨罐中，并加入刚玉磨球，用行星式球磨机进行球磨；

16、s4、将步骤s3中的球磨后的陶瓷浆料进行真空脱泡，得到用于打印的陶瓷浆料，真空脱泡时间为3-5min；

17、s5、将步骤s4中制备完成后的陶瓷浆料通过光固化陶瓷3d打印机工作得到陶瓷零件生坯，打印机包括倒置式dlp陶瓷打印机(北京十维科技有限责任公司autocera-l、autocera-m、autocera-r)或正置式dlp陶瓷打印机(北京十维科技有限责任公司autocera-u、autocera-xl)，打印分层厚度为25-100um，曝光功率为5-20mw/cm2，单层曝光时间为5-12s；

18、s6、将步骤s5中打印完成的陶瓷零件生坯用异丙醇进行表面清洗并晾干；

19、s7、将步骤s6中的陶瓷生坯放入陶瓷匣钵后置于马弗炉中进行烧结，烧结完成后获得零烧结收缩的陶瓷型芯。

20、优选的，所述步骤s7中在1000℃以下加热速率不超过10℃/min，在1000℃以上加热速率不超过5℃/min，终烧温度为1600℃，保温时间不超过4h。

21、优选的，所述步骤s3中球料比为3：2，球磨转速为400r/min，球磨时间为4-12h。

22、优选的，所述步骤s2中机械搅拌时间不少于10min，转子转速为300-600r/min，室温不高于35℃，环境湿度不高于40％。

23、(三)有益效果

24、本发明提供了一种光固化增材制造零烧结收缩铝基陶瓷型芯材料。与现有技术相比具备以下有益效果：该光固化增材制造零烧结收缩铝基陶瓷型芯材料，其浆料是由光敏树脂、分散剂和陶瓷粉体构成，其中光敏树脂按照体积比占35-45vol％，陶瓷粉体占体积比55-60vol％以及分散剂按照陶瓷粉体质量的1-5％进行添加，且光敏树脂中含有0.4-1％的光引发剂，陶瓷粉体的组分按质量百分比包括：70wt％氧化铝、8wt％蓝晶石和22wt％氧化硅，光敏树脂是由hdda树脂、pptta树脂、peg400da树脂和hema树脂组成，且hdda树脂、pptta树脂、peg400da树脂和hema树脂的含量比例为：hdda：pptta：peg400da：hema＝1：2：3：1，通过在光固化陶瓷浆料中加入蓝晶石，蓝晶石在高温下分解产生的膨胀补偿了陶瓷型芯在烧结阶段的收缩，在蓝晶石分解膨胀和氧化铝烧结收缩的共同作用下实现了1600度烧结温度下陶瓷型芯的零烧结收缩，本发明能够制备出烧结收缩率为零并且综合性能优良的复杂陶瓷型芯。

技术特征：

1.一种光固化增材制造零烧结收缩铝基陶瓷型芯材料，其特征在于：其浆料是由光敏树脂、分散剂和陶瓷粉体构成，其中所述光敏树脂按照体积比占35-45vol％，陶瓷粉体占体积比55-60vol％以及分散剂按照陶瓷粉体质量的1-5％进行添加，且光敏树脂中含有0.4-1％的光引发剂；

2.根据权利要求1所述的一种光固化增材制造零烧结收缩铝基陶瓷型芯材料，其特征在于：所述hdda树脂和pptta树脂分别为双官能团和四官能团uv单体，其是作为构建固化强度的重要成分。

3.根据权利要求1所述的一种光固化增材制造零烧结收缩铝基陶瓷型芯材料，其特征在于：所述peg400da树脂作为双官能团长链uv单体增加打印生坯的柔韧性，减小脱脂过程的开裂。

4.根据权利要求1所述的一种光固化增材制造零烧结收缩铝基陶瓷型芯材料，其特征在于：所述hema树脂为低粘度活性稀释剂，其用于降低浆料的黏度。

5.根据权利要求1所述的一种光固化增材制造零烧结收缩铝基陶瓷型芯材料，其特征在于：所述氧化铝的粒度为10-30um，蓝晶石粒度为10-30um，氧化硅粒度为30-50um。

6.根据权利要求1所述的一种光固化增材制造零烧结收缩铝基陶瓷型芯材料，其特征在于：所述光引发剂为tpo。

7.一种根据权利要求1-6任意一项所述光固化增材制造零烧结收缩铝基陶瓷型芯材料的成形工艺，其特征在于：所述具体包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种光固化增材制造零烧结收缩铝基陶瓷型芯材料的成形工艺，其特征在于：所述步骤s7中在1000℃以下加热速率不超过10℃/min，在1000℃以上加热速率不超过5℃/min，终烧温度为1600℃，保温时间不超过4h。

9.根据权利要求7所述的一种光固化增材制造零烧结收缩铝基陶瓷型芯材料的成形工艺，其特征在于：所述步骤s3中球料比为3：2，球磨转速为400r/min，球磨时间为4-12h。

10.根据权利要求7所述的一种光固化增材制造零烧结收缩铝基陶瓷型芯材料的成形工艺，其特征在于：所述步骤s2中机械搅拌时间不少于10min，转子转速为300-600r/min，室温不高于35℃，环境湿度不高于40％。

技术总结
本发明公开了一种光固化增材制造零烧结收缩铝基陶瓷型芯材料，其浆料是由光敏树脂、分散剂和陶瓷粉体构成，其中所述光敏树脂按照体积比占35‑45vol％，陶瓷粉体占体积比55‑60vol％以及分散剂按照陶瓷粉体质量的1‑5％进行添加，且光敏树脂中含有0.4‑1％的光引发剂，陶瓷粉体的组分包括：氧化铝、蓝晶石和氧化硅，本发明涉及陶瓷材料增材制造技术领域。该光固化增材制造零烧结收缩铝基陶瓷型芯材料，通过在光固化陶瓷浆料中加入蓝晶石，蓝晶石在高温下分解产生的膨胀补偿了陶瓷型芯在烧结阶段的收缩，在蓝晶石分解膨胀和氧化铝烧结收缩的共同作用下实现了1600度烧结温度下陶瓷型芯的零烧结收缩，本发明能够制备出烧结收缩率为零并且综合性能优良的复杂陶瓷型芯。

技术研发人员：胡可辉,吕志刚,张思宇,张精通,王庆
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15