CN112537948A - 一种氧化铝基陶瓷型芯的光固化3d打印制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种氧化铝基陶瓷型芯的光固化3D打印制造方法，将烧结助剂粉体加入到氧化铝粉体中并混合均匀得到混合粉体，将光引发剂和添加剂加入到多组分单体中并混合均匀得到光敏树脂，将混合粉体加入到光敏树脂中得到陶瓷浆料；陶瓷浆料通过光固化3D打印机在特定曝光能量、曝光时间和分层厚度条件下完成陶瓷型芯素坯的成型过程；用氧化铝粉体将上步得到的陶瓷型芯素坯完全覆盖并置于马弗炉中，完成脱脂和烧结过程，即得到陶瓷型芯。本发明通过光固化3D打印技术制备氧化铝基陶瓷型芯，解决了精细结构难成型的难题，提高了陶瓷型芯成型精度，缩短了陶瓷型芯制备周期，且降低了生产成本。可应用于氧化铝基陶瓷型芯的生产领域。

Description

一种氧化铝基陶瓷型芯的光固化3D打印制造方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，涉及一种氧化铝基陶瓷型芯的光固化3D打印制造方法。
背景技术
氧化铝基陶瓷型芯因具有优异的高温稳定性、高强度、高硬度等优点，而应用于航空发动机空心涡轮叶片内腔精密结构的成型。
通常氧化铝基陶瓷型芯的制造使用熔模铸造技术，由于其制造流程繁琐、工艺周期长、且成本高昂，严重阻碍了航空发动机的研制进程。而3D打印技术的出现为氧化铝基陶瓷型芯的制造提供了高精度、低成本、快速制作的可能性。
山东工业陶瓷研究设计有限公司(中国专利，专利号CN108083777A)提出了光固化3D打印用氧化铝基陶瓷浆料及陶瓷型芯的制备方法，解决了陶瓷浆料的高粘度、流动性差、易团聚等问题。武汉因泰莱激光科技有限公司(中国专利，专利号CN110773700A)提出了空心叶片易脱除氧化铝陶瓷型芯及其制备方法，为陶瓷型芯的脱除难题提供了一种高效的解决方案。然而氧化铝基陶瓷型芯仍存在成型精度低、脱脂烧结后易开裂变形、强度较低及气孔率低等问题急需解决。
氧化铝基陶瓷型芯的光固化3D打印制造技术，仍存在成型精度低、脱脂烧结后易开裂变形、强度较低及气孔率低等问题，阻碍了该技术在工业生产中的应用。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种氧化铝基陶瓷型芯的光固化3D打印制造方法，适用于氧化铝基陶瓷型芯的制造。
技术方案
一种氧化铝基陶瓷型芯的光固化3D打印制造方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将烧结助剂粉体加入到氧化铝粉体中并混合均匀得到混合粉体，将光引发剂和添加剂加入到多组分单体中并混合均匀得到光敏树脂，将混合粉体加入到光敏树脂中得到陶瓷浆料；
所述多组分单体为N-羟甲基丙烯酰胺、二丙烯酸1,6-己二醇酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、丙烯酸、衣康酸中的一种或者多种组成的混合物；
所述陶瓷浆料中混合粉体所占质量百分含量为45％～95％，光敏树脂所占质量百分含量为5％～55％；
步骤2：陶瓷浆料通过光固化3D打印机，选择激光波长为350-550nm，曝光能量为5-50mW/cm2，曝光时间为2-60s，分层厚度为25-200μm条件下完成陶瓷型芯素坯的成型过程；
步骤3：用氧化铝粉体将上步得到的陶瓷型芯素坯完全覆盖并置于马弗炉中，在一定升温速率、温度、保温时间条件下完成脱脂和烧结过程，即得到陶瓷型芯；所述脱脂和烧结升温速率为0.2-10℃/min，保温时间为0.2-5h，脱脂温度为400-600℃，烧结温度为1100-1500℃。
所述烧结助剂粉体与氧化铝粉体的比例为1︰6～7。
所述烧结助剂为氧化硅、氧化铬、氧化铈、氧化铜、氧化镧、氧化锆、氧化钛、氧化钇、氧化钙、氧化镁中的一种或者多种组成的混合物
所述光引发剂为二苯基(2，4，6-三甲基苯甲酰基)氧化膦、苯甲酰甲酸甲酯、2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮、1-羟环己基苯酮、过氧化苯甲酰中的一种或者多种组成的混合物。
所述添加剂为聚二甲基硅氧烷、二丙酮醇、N-(β-氨乙基-γ-氨丙基)甲基二甲氧基硅烷，3-(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、BYK-333、三聚磷酸钠、甲基戊醇聚、丙烯酰胺、正辛醇、油酸中的一种或者多种组成的混合物。
有益效果
本发明提出的一种氧化铝基陶瓷型芯的光固化3D打印制造方法，包括陶瓷浆料的制备、陶瓷型芯素坯的3D打印成型、脱脂和烧结过程。具体制造方法如下：(1)将烧结助剂粉体加入到氧化铝粉体中并混合均匀得到混合粉体，将光引发剂和添加剂加入到多组分单体中并混合均匀得到光敏树脂，将混合粉体加入到光敏树脂中得到陶瓷浆料；(2)陶瓷浆料通过光固化3D打印机在特定曝光能量、曝光时间和分层厚度条件下完成陶瓷型芯素坯的成型过程；(3)用氧化铝粉体将上步得到的陶瓷型芯素坯完全覆盖并置于马弗炉中，在一定升温速率、温度、保温时间条件下完成脱脂和烧结过程，即得到陶瓷型芯。本发明通过光固化3D打印技术制备氧化铝基陶瓷型芯，解决了精细结构难成型的难题，提高了陶瓷型芯成型精度，缩短了陶瓷型芯制备周期，且降低了生产成本。可应用于氧化铝基陶瓷型芯的生产领域。
本发明的有益效果为：本发明通过光固化3D打印技术制备氧化铝基陶瓷型芯，解决了精细结构难成型的难题，所得陶瓷型芯无开裂、变形等问题，强度适中(20～30MPa)，气孔率适用(20～30％)，且提高了陶瓷型芯成型精度，缩短了陶瓷型芯制备周期，且降低了生产成本。可应用于氧化铝基陶瓷型芯的生产领域。
对于原有技术存在的成型精度低、脱脂烧结后易开裂变形、强度较低及气孔率低等问题，阻碍了该技术在工业生产中的应用的问题，本发明提高了陶瓷型芯成型精度，缩短了陶瓷型芯制备周期，且降低了生产成本。所得陶瓷型芯强度适中(20～30MPa)，气孔率适用(20～30％)，满足工业应用需求。
附图说明
图1为氧化铝基陶瓷型芯的光固化3D打印制造流程图
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
实施例1
将由氧化铝粉(600g)和氧化硅粉(100g)混合均匀组成的700g无机粉体加入到由二苯基(2，4，6-三甲基苯甲酰基)氧化膦(30g)、BYK-333(30g)、N-羟甲基丙烯酰胺(100g)、二丙烯酸1,6-己二醇酯(140g)混合均匀组成的300g光敏树脂中，得到陶瓷浆料；然后将得到的陶瓷浆料通过光固化3D打印机在385nm激光波长、5mW/cm2曝光能量、20s曝光时间和100μm分层厚度条件下得到陶瓷型芯素坯；用氧化铝粉体将上步得到的陶瓷型芯素坯完全覆盖并置于马弗炉中，以2℃/min的升温速率升至600℃并保温2h，然后以5℃/min的升温速率升至1400℃并保温2h，即得到具有复杂结构且尺寸精度较高的氧化铝基陶瓷型芯。
实施例2
将由氧化铝粉(300g)和氧化锆粉(50g)混合均匀组成的350g无机粉体加入到由苯甲酰甲酸甲酯(15g)、3-(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(15g)、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(50g)、丙烯酸(70g)混合均匀组成的150g光敏树脂中，得到陶瓷浆料；然后将得到的陶瓷浆料通过光固化3D打印机在385nm激光波长、10mW/cm2曝光能量、10s曝光时间和50μm分层厚度条件下得到陶瓷型芯素坯；用氧化铝粉体将上步得到的陶瓷型芯素坯完全覆盖并置于马弗炉中，以5℃/min的升温速率升至5500℃并保温2h，然后以7℃/min的升温速率升至1300℃并保温2h，即得到具有复杂结构且尺寸精度较高的氧化铝基陶瓷型芯。
实施例3
将由氧化铝粉(350g)和氧化钇粉(50g)混合均匀组成的400g无机粉体加入到1-羟环己基苯酮(10g)、N-(β-氨乙基-γ-氨丙基)甲基二甲氧基硅烷(10g)、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(50g)、衣康酸(30g)混合均匀组成的100g光敏树脂中，得到陶瓷浆料；然后将得到的陶瓷浆料通过光固化3D打印机在405nm激光波长、10mW/cm2曝光能量、5s曝光时间和25μm分层厚度条件下得到陶瓷型芯素坯；用氧化铝粉体将上步得到的陶瓷型芯素坯完全覆盖并置于马弗炉中，以3℃/min的升温速率升至550℃并保温2h，然后以5℃/min的升温速率升至1450℃并保温2h，即得到具有复杂结构且尺寸精度较高的氧化铝基陶瓷型芯。

Claims (5)

1.一种氧化铝基陶瓷型芯的光固化3D打印制造方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将烧结助剂粉体加入到氧化铝粉体中并混合均匀得到混合粉体，将光引发剂和添加剂加入到多组分单体中并混合均匀得到光敏树脂，将混合粉体加入到光敏树脂中得到陶瓷浆料；
所述多组分单体为N-羟甲基丙烯酰胺、二丙烯酸1,6-己二醇酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、丙烯酸、衣康酸中的一种或者多种组成的混合物；
所述陶瓷浆料中混合粉体所占质量百分含量为45％～95％，光敏树脂所占质量百分含量为5％～55％；
步骤2：陶瓷浆料通过光固化3D打印机，选择激光波长为350-550nm，曝光能量为5-50mW/cm2，曝光时间为2-60s，分层厚度为25-200μm条件下完成陶瓷型芯素坯的成型过程；
步骤3：用氧化铝粉体将上步得到的陶瓷型芯素坯完全覆盖并置于马弗炉中，在一定升温速率、温度、保温时间条件下完成脱脂和烧结过程，即得到陶瓷型芯；所述脱脂和烧结升温速率为0.2-10℃/min，保温时间为0.2-5h，脱脂温度为400-600℃，烧结温度为1100-1500℃。
2.根据权利要求1所述氧化铝基陶瓷型芯的光固化3D打印制造方法，其特征在于：所述烧结助剂粉体与氧化铝粉体的比例为1︰6～7。
3.根据权利要求1所述氧化铝基陶瓷型芯的光固化3D打印制造方法，其特征在于：所述烧结助剂为氧化硅、氧化铬、氧化铈、氧化铜、氧化镧、氧化锆、氧化钛、氧化钇、氧化钙、氧化镁中的一种或者多种组成的混合物。
4.根据权利要求1所述氧化铝基陶瓷型芯的光固化3D打印制造方法，其特征在于：所述光引发剂为二苯基(2，4，6-三甲基苯甲酰基)氧化膦、苯甲酰甲酸甲酯、2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮、1-羟环己基苯酮、过氧化苯甲酰中的一种或者多种组成的混合物。
5.根据权利要求1所述氧化铝基陶瓷型芯的光固化3D打印制造方法，其特征在于：所述添加剂为聚二甲基硅氧烷、二丙酮醇、N-(β-氨乙基-γ-氨丙基)甲基二甲氧基硅烷，3-(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、BYK-333、三聚磷酸钠、甲基戊醇聚、丙烯酰胺、正辛醇、油酸中的一种或者多种组成的混合物。
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