楊 強(qiáng)，魯中良，王 富，李滌塵

（1. 西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安 710049；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）

渦輪葉片作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的第一關(guān)鍵部件，因其工作在溫度高、應(yīng)力復(fù)雜、環(huán)境惡劣的部位，且制造工藝極其復(fù)雜，被譽(yù)為“皇冠上的明珠”[1–2]。目前國(guó)內(nèi)外渦輪葉片主要采用精密鑄造工藝制造，因而陶瓷鑄型的制備成為制造渦輪葉片的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)熔模鑄造工藝制造渦輪葉片的主要步驟包括型芯模具的設(shè)計(jì)與制造、壓制型芯、蠟?zāi)Ｄ＞叩脑O(shè)計(jì)與制造、裝配組蠟、掛漿制殼、脫蠟、焙燒、澆鑄葉片、脫芯等環(huán)節(jié)，該工藝在大批量生產(chǎn)渦輪葉片方面具有成形精度高、尺寸穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但是也存在周期長(zhǎng)、成本高、工藝反應(yīng)慢等問(wèn)題[3–4]?；诠夤袒?D 打印技術(shù)的型芯/型殼一體化陶瓷鑄型制造技術(shù)，結(jié)合光固化3D 打印技術(shù)和凝膠注模技術(shù)，以光固化樹(shù)脂原型替代了傳統(tǒng)模具，實(shí)現(xiàn)了渦輪葉片陶瓷鑄型的整體式制造，不僅顯著提升了復(fù)雜葉片的制造能力，減少了葉片制造工藝步驟，降低了制造對(duì)葉片設(shè)計(jì)的限制，而且具有無(wú)?；⒅芷诙?、成本低、工藝反應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，在小批量渦輪葉片的生產(chǎn)以及測(cè)試件、修復(fù)件的快速制造中具有顯著的優(yōu)勢(shì)[5–7]。

當(dāng)前渦輪葉片陶瓷鑄型主要采用氧化硅和氧化鋁作為鑄型基體材料。硅基鑄型使用溫度一般為1450 ～1500℃，當(dāng)使用溫度超過(guò)1500 ℃時(shí)，鑄型的化學(xué)穩(wěn)定性和高溫抗蠕變性顯著下降，易與高溫合金中的某些活潑元素（如Ti、Mg、Al、Hf、Nb 等）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)型芯會(huì)發(fā)生嚴(yán)重變形，因此硅基鑄型能夠用于等軸晶和定向晶葉片的澆鑄，但是難以滿足更高澆鑄溫度的單晶葉片的鑄造要求[8]。鋁基陶瓷鑄型在燒結(jié)和鑄造過(guò)程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，熱膨脹系數(shù)低，熱化學(xué)穩(wěn)定性良好，故相比硅基鑄型，鋁基鑄型的化學(xué)穩(wěn)定性、高溫強(qiáng)度與抗蠕變性能更好[9]，但是鋁基型芯脫除異常困難，需要經(jīng)過(guò)堿液反復(fù)蒸煮才能脫除，且脫芯周期長(zhǎng)，對(duì)金屬葉片的腐蝕很大，嚴(yán)重影響了金屬葉片的表面質(zhì)量[10]。因此，研制出一種既能滿足單晶渦輪葉片高溫鑄造要求，又可以快速脫除的陶瓷鑄型材料及其制備技術(shù)具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

相比于其他氧化物陶瓷材料，CaO 耐熱溫限高且高溫化學(xué)穩(wěn)定性好，具有很高的使用溫度和優(yōu)異的高溫化學(xué)穩(wěn)定性，易于獲取、價(jià)格低廉，且極易脫除，是一種高溫?zé)岫瞬考荑T造型芯和鑄型的理想材料，近年來(lái)受到了廣泛的關(guān)注[11–14]。但是由于CaO 極易吸潮水化，導(dǎo)致氧化鈣基陶瓷鑄型的制備無(wú)論是材料設(shè)計(jì)還是制造工藝都非常復(fù)雜，嚴(yán)重制約了氧化鈣基陶瓷鑄型的大規(guī)模應(yīng)用和推廣[15]。本文分析了氧化鈣基陶瓷鑄型在渦輪葉片精密鑄造中存在的優(yōu)勢(shì)與問(wèn)題，介紹了西安交通大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在整體式氧化鈣基陶瓷鑄型制備方面的研究工作，并對(duì)整體式氧化鈣基陶瓷鑄型在渦輪葉片精鑄中的應(yīng)用前景進(jìn)行了探討。

1 氧化鈣基陶瓷鑄型的特點(diǎn)

1.1 CaO 材料特性

CaO 的熔點(diǎn)為2572 ℃，沸點(diǎn)為2850 ℃，高溫飽和蒸氣壓比其他堿性氧化物低，工業(yè)上常用的氧化物陶瓷材料熔點(diǎn)及其使用溫度見(jiàn)表1。氧化物陶瓷材料的生成自由能與溫度的關(guān)系如圖1 所示，氧化物陶瓷材料與鎳基高溫合金熱膨脹系數(shù)對(duì)照關(guān)系如圖2 所示。由表1、圖1 和圖2 可知，CaO 不僅能承受很高的使用溫度，還具有很多其他優(yōu)異的性能，如高溫化學(xué)穩(wěn)定性極好，不與合金中活潑元素反應(yīng)；熱膨脹系數(shù)與高溫合金相近；金屬液凝固時(shí)，氧化鈣鑄型能與金屬接近同步收縮，避免凝固過(guò)程中鑄型出現(xiàn)應(yīng)力脹裂[16]。此外，CaO 易與水反應(yīng)，極易脫除，不會(huì)對(duì)鑄件造成任何損傷。因此，CaO 是一種非常適合于制備陶瓷鑄型的氧化物材料。

圖1 氧化物的生成自由能與溫度的關(guān)系Fig.1 Relationship between free energy of oxides formation and temperature

圖2 不同氧化物與鎳基高溫合金的熱膨脹系數(shù)Fig.2 Thermal expansion coefficients of different oxides and nickel-based superalloys

表1 常用氧化物陶瓷材料的熔點(diǎn)及使用溫度Table 1 Melting point and service temperature of common oxide ceramic materials

在20世紀(jì)50～60年代出現(xiàn)過(guò)石灰質(zhì)耐火材料的研究熱潮，德國(guó)、波蘭、日本等國(guó)家對(duì)石灰質(zhì)耐火材料做了大量深入的研究，70年代初期，石灰質(zhì)耐火制品已開(kāi)始工業(yè)化試驗(yàn)及應(yīng)用[17–18]。但是由于具有易水化的特點(diǎn)，氧化鈣基陶瓷的制備和保存工藝非常困難，制約了氧化鈣基陶瓷材料的生產(chǎn)應(yīng)用，致使后續(xù)一段時(shí)間內(nèi)鮮有對(duì)氧化鈣基耐火材料的報(bào)道。近年來(lái)隨著鈦合金和鈦鋁合金精密鑄造技術(shù)的發(fā)展需要，氧化鈣基陶瓷鑄型又成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。

1.2 氧化鈣基陶瓷鑄型在精密鑄造中的應(yīng)用

CaO 具有優(yōu)異的高溫化學(xué)穩(wěn)定性，因而起初氧化鈣鑄型大多被用于鈦合金的鑄造。日本東北大學(xué)金屬材料研究所佐藤敬等[19]用氧化鈣粉末混合氯化鈣乙醇溶液壓制成型，在950 ℃條件下保溫3 h 燒結(jié)，制得了氧化鈣鑄型，并鑄造得到了質(zhì)量?jī)?yōu)良的鈦合金鑄件。三井造船株式會(huì)社Degawa 等[20]使用氧化鈣鑄型成功鑄造出了鈦合金零部件，其總氧含量低，且在鑄件表面沒(méi)有檢測(cè)到Ca 元素的存在，但是該研究也指出在應(yīng)用CaO 時(shí)要嚴(yán)格控制雜質(zhì)含量和氧化鈣粉體的燒結(jié)狀態(tài)。美國(guó)Honeywell公司Lasalle 等[21]發(fā)明了一種用于鈦合金熔模精密鑄造的氧化鈣面層漿料，采用碳酸鈣和水基黏結(jié)劑為原料配制成涂料，涂掛在蠟?zāi)；蚰＞弑砻?，脫蠟之后鑄型經(jīng)高溫1000℃焙燒，可直接轉(zhuǎn)化為CaO，并在700～800 ℃溫度條件下澆鑄出了質(zhì)量良好的鈦合金鑄件。北京航空航天大學(xué)Zhou 等[14]提出了一種鈦合金鑄造用氧化鈣基陶瓷型芯及其制備方法，其主要過(guò)程是將二氧化鋯、氧化釔、氧化釷和CaO 的混合粉料與油酸、石蠟、蜂蠟攪拌混合后，注射成型氧化鈣基陶瓷型芯，該型芯與熔融鈦不易發(fā)生反應(yīng)，且具有耐高溫、易脫芯、成本低等優(yōu)點(diǎn)。上述方法主要是針對(duì)鈦合金零件的鑄造，由于鈦合金與高溫合金的鑄造工藝差異比較大，所以這些方法制備的氧化鈣鑄型并不完全適用于高溫合金葉片的鑄造。

美國(guó)聯(lián)合航空公司Hulse[16]發(fā)明了一種用水溶性氧化鈣陶瓷型芯鑄造鎳基高溫合金的方法，擬解決脫芯困難的問(wèn)題。該方法采用熱壓10 μm 氧化鈣粉體直接成形氧化鈣基陶瓷型芯，其中CaO 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在50%以上，并且可以通過(guò)添加適量MgO、ZrO2、Al2O3、SrO 和BaO 來(lái)控制陶瓷型芯的水溶速率。華中科技大學(xué)Liu 等[12]以Ca（OH）2為原料，利用環(huán)氧樹(shù)脂作為黏結(jié)劑制備了一種固相體積分?jǐn)?shù)48%的水基陶瓷漿料，采用凝膠注模技術(shù)制備了一種可水解的氧化鈣基陶瓷型芯，但是該型芯在1300 ℃燒結(jié)后線性收縮率過(guò)大，達(dá)到11.31%，無(wú)法滿足精密鑄造的精度要求。

盡管氧化鈣陶瓷鑄型在精密鑄造領(lǐng)域已經(jīng)有不少研究工作，但是真正將氧化鈣鑄型應(yīng)用于生產(chǎn)的卻很少，相關(guān)信息顯示，目前將氧化鈣陶瓷鑄型用于生產(chǎn)的僅有日本兩家工廠[22–24]，但是并無(wú)正式的科技文獻(xiàn)報(bào)道。

1.3 氧化鈣基陶瓷鑄型存在的問(wèn)題

從優(yōu)異的耐火度和豐富的資源角度出發(fā)，研究人員一直試圖將氧化鈣耐火材料大量地應(yīng)用于生產(chǎn)，但至今都未能成功，其原因歸結(jié)起來(lái)主要有3 個(gè)方面：首先，CaO 需要很高的燒結(jié)溫度，純CaO 需要1900 ℃燒結(jié)才能獲得所必需的致密度和力學(xué)性能；其次，CaO 極易與水、水蒸氣和潮濕的空氣作用發(fā)生水化，形成消石灰，喪失使用功能；最后，CaO 易與酸性氧化物發(fā)生反應(yīng)，生成軟化溫度低于耐火度下限的化合物，例如，與SiO2生成CaSiO3（熔點(diǎn)為1540 ℃），與Al2O3生成12CaO · 7Al2O3（熔點(diǎn)為1392 ℃）。這其中阻礙氧化鈣陶瓷制品應(yīng)用最致命的缺陷就是易水化的問(wèn)題，可見(jiàn)提高氧化鈣基陶瓷的抗水化性對(duì)其實(shí)際的工程應(yīng)用至關(guān)重要。

為了克服氧化鈣陶瓷的易水化缺點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者也做了大量的研究，并深入分析了氧化鈣陶瓷的水化機(jī)理。Li 等[15]研究表明，CaO 的水化速率并不是恒定的，而是隨著時(shí)間的推移不斷改變，圖3 為致密氧化鈣在潮濕空氣中的水化示意圖。Li等[15]認(rèn)為CaO 的水化分為3 個(gè)階段：第1 階段，水分子直接與表層發(fā)生反應(yīng)，生成Ca（OH）2附著在CaO周?chē)?，此階段材料的體積密度是影響水化性能的主要因素；第2 階段，伴隨著外層水化反應(yīng)的進(jìn)行，水分子通過(guò)Ca（OH）2之間的縫隙進(jìn)入里層，與里層CaO 反應(yīng)生成少量Ca（OH）2，此時(shí)材料的密實(shí)度與晶粒的大小將成為影響材料抗水性能的主要因素；第3 階段，由于內(nèi)外表面生成大量的Ca（OH）2會(huì)發(fā)生膨脹，體積變大，從CaO 表層脫落，露出里層新的CaO，從而使得反應(yīng)又重復(fù)第1 階段，如此循環(huán)進(jìn)行。

圖3 CaO 在潮濕空氣中的水化示意圖[15]Fig.3 Schematic diagram of the hydration of CaO in humid air[15]

武漢理工大學(xué)陶志南[25]研究了CaO 與水蒸氣和液態(tài)水的水化反應(yīng)自由能的變化，認(rèn)為CaO 在水蒸氣和液態(tài)水中的水化程度取決于溫度的變化。CaO 具有NaCl 型晶體結(jié)構(gòu)，立方晶系，面心立方點(diǎn)陣，自由能較大，具有很強(qiáng)的化學(xué)活性。根據(jù)CaO的水化反應(yīng)：

根據(jù)上述兩個(gè)自由能計(jì)算公式可以得出，在T< 120 ℃時(shí)，CaO 在水蒸氣中更容易水化；在T> 120 ℃時(shí)，CaO 與液態(tài)水更容易發(fā)生水化，水化溫度延伸到1150 ℃。

印度中央玻璃與陶瓷研究所Bhattacharya等[26]研究了氧化鈣晶粒尺寸對(duì)其水化增重率的影響，發(fā)現(xiàn)隨著晶粒尺寸的增加，其水化率降低。原因是晶粒越大，晶界面積和表面自由能就越小，晶粒越穩(wěn)定，水化活性越低；氧化鈣顆粒尺寸越小，其比表面越大，與水接觸的表面積越大，水化越嚴(yán)重。同時(shí)孔隙率越高，水蒸氣越容易進(jìn)入到氧化鈣陶瓷的內(nèi)部，越容易產(chǎn)生水化。

因此，通過(guò)材料設(shè)計(jì)和燒結(jié)工藝的優(yōu)化，促進(jìn)氧化鈣晶粒發(fā)育，增加晶粒尺寸，提高氧化鈣陶瓷的燒結(jié)致密度并形成少量的抗水化增強(qiáng)相，可有效提高氧化鈣陶瓷制品的抗水化性，進(jìn)而可應(yīng)用于高溫合金渦輪葉片的精密鑄造。

2 整體式氧化鈣基陶瓷鑄型的制備

2.1 制備工藝

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)室研究團(tuán)隊(duì)在利用整體式氧化鈣基陶瓷鑄型完成渦輪葉片的精密鑄造方面展開(kāi)了相關(guān)研究，并取得了一定的進(jìn)展和成果。

本課題組提出的基于光固化快速成形技術(shù)的型芯/型殼一體化陶瓷鑄型的制造方法為解決這一制造難題提供了新途徑[3–7]。如圖4 所示，該方法的工藝流程主要有以下4 步。

圖4 渦輪葉片型芯/型殼一體化制備工藝Fig.4 Manufacturing process of hollow turbine blade using core/shell integral ceramic mold

（1）空心渦輪葉片整體式樹(shù)脂原型模具的 CAD 設(shè)計(jì)及光固化快速制備。

（2）制備高固相低黏度的非水基氧化鈣陶瓷漿料，注入樹(shù)脂原型模具中。待陶瓷漿料原位固化后，即可獲得整體式陶瓷鑄型濕坯。

（3）對(duì)陶瓷鑄型進(jìn)行包埋干燥、真空脫脂、終燒結(jié)等操作，最終得到空心渦輪葉片整體式陶瓷鑄型。

（4）向陶瓷鑄型中澆注高溫合金液，待鑄件凝固后脫除陶瓷型芯，得到空心渦輪葉片。

2.2 材料設(shè)計(jì)

由于氧化鈣粉末極易水化，因此在采用凝膠注模工藝成型整體式氧化鈣基陶瓷鑄型的過(guò)程中，粉體的預(yù)處理工藝至關(guān)重要。采用凝膠注模成型工藝制備氧化鈣基陶瓷鑄型，獲得均勻穩(wěn)定分散的高固相、低黏度漿料至關(guān)重要，研究表明，陶瓷粉體的表面性狀對(duì)漿料的流變特性具有重要的影響[27]。本研究采用的氧化鈣粉體原料為普通工業(yè)級(jí)氧化鈣粉末，其表面性狀很難滿足凝膠注模成型工藝中漿料的制備要求，因此需對(duì)粉體進(jìn)行表面預(yù)處理，改善其表面性狀，以獲得符合凝膠注模工藝要求的粉體。目前，常用的陶瓷粉體預(yù)處理方法主要包括對(duì)粉體表面的水洗、酸洗、堿洗、包覆以及煅燒等，但由于CaO 是一種極易水解和強(qiáng)堿性的物質(zhì)，因此水洗、酸洗、堿洗的方法均不適用于對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理。

煅燒是一種方便簡(jiǎn)捷的陶瓷粉體預(yù)處理方法，將氧化鈣粉體在大氣氣氛中升溫至1200 ℃，保溫2 h 進(jìn)行煅燒，為了提高處理后氧化鈣粉末的抗水化性，在煅燒時(shí)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的ZrO2，ZrO2和CaO 反應(yīng)生成少量CaZrO3并均勻彌散在粉體中，以提高氧化鈣粉體的抗水化性。煅燒后的粉體會(huì)產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象，因此粉體需經(jīng)破碎、球磨 （300 rad/min，30 min）和過(guò)篩處理 （160目），最終得到煅燒預(yù)處理后的粉體。對(duì)未經(jīng)煅燒處理的粉體和煅燒處理后的氧化鈣粉體進(jìn)行XRD 物相檢測(cè)，其結(jié)果如圖5 所示。采用恒溫恒濕法對(duì)煅燒前后氧化鈣粉體的抗水化性能測(cè)試，其結(jié)果如圖6 所示。

圖6 煅燒前后氧化鈣粉體水化增重率Fig.6 Hydration weight gain rate of CaO powder before and after calcination

由圖5 和6 可以看出，在添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的ZrO2煅燒后的粉體中有少量CaZrO3出現(xiàn)，且相較于未進(jìn)行煅燒處理的氧化鈣粉體，其水化增重率出現(xiàn)大幅度下降；在溫度20 ℃、濕度50%的環(huán)境中，經(jīng)過(guò)8 d 靜置測(cè)試后其水化增重率僅為2.26%，而未經(jīng)處理的氧化鈣粉體在同樣條件下，其水化增重率達(dá)到了17.38%。說(shuō)明添加少量ZrO2進(jìn)行1200 ℃煅燒處理后的粉體可以有效降低氧化鈣粉體在空氣中的水化速率，提高粉體在空氣中的抗水化性。

圖5 煅燒前后氧化鈣粉體的XRD 物相Fig.5 XRD phases of CaO powder before and after calcination

2.3 整體式氧化鈣基陶瓷鑄型制備

采用煅燒處理后的氧化鈣粉體作為原料，叔丁醇 （TBA）為溶劑，N, N'–二甲基丙烯酰胺 （DMAA）為單體，N, N'–亞甲基雙丙烯酰胺（MBAM）為交聯(lián)劑，聚乙烯吡咯烷酮 （PVP K30）為分散劑，經(jīng)攪拌、球磨后，配制出固相體積分?jǐn)?shù)為55%的氧化鈣基陶瓷漿料，測(cè)得其表觀黏度為836 mPa·s，滿足凝膠注模漿料黏度要求。經(jīng)真空除氣后，向上述漿料中加入適量引發(fā)劑過(guò)氧化苯甲酰 （BPO） 和催化劑N, N'–二甲基苯胺，采用負(fù)壓吸注工藝[5]，將其注入光固化3D 打印的渦輪葉片樹(shù)脂模具中，待漿料固化完成后即可得到整體式氧化鈣基陶瓷鑄型素坯，對(duì)素坯的充型情況采用工業(yè)CT 檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，渦輪葉片鑄型的型殼與型芯均充型完整，在易出現(xiàn)充型缺陷的型芯U形梁部位和排氣邊部位均充型完整，未出現(xiàn)充型缺陷，如圖7 所示。

圖7 渦輪葉片整體式氧化鈣基陶瓷鑄型素坯的CT 圖Fig.7 CT image of CaO-based integral ceramic mold for turbine blades

2.4 整體式氧化鈣基陶瓷鑄型制備過(guò)程中的挑戰(zhàn)

雖然目前在整體式氧化鈣基陶瓷鑄型的制備過(guò)程中取得了一些研究進(jìn)展，能夠采用光固化3D 打印技術(shù)和凝膠注模成形技術(shù)有效成形出渦輪葉片氧化鈣基陶瓷的素坯，但是氧化鈣基陶瓷鑄型的特性決定了其制備工藝比較復(fù)雜，在后續(xù)的制備過(guò)程中依然存在一些亟待解決的問(wèn)題。

由于CaO 與空氣中的水蒸氣接觸后易水解，導(dǎo)致鑄型潰散，因此在干燥過(guò)程中必須采用真空干燥的方法。然而隨著真空度的提高，溶劑的沸點(diǎn)急劇下降，溶劑揮發(fā)加快，干燥應(yīng)力增大，鑄型會(huì)出現(xiàn)局部開(kāi)裂現(xiàn)象，如圖8 所示。由于陶瓷與樹(shù)脂原型的熱膨脹系數(shù)不一致，導(dǎo)致陶瓷鑄型在脫脂過(guò)程中出現(xiàn)樹(shù)脂原型膨脹將鑄型脹裂的現(xiàn)象，如圖9 所示。陶瓷鑄型在燒結(jié)過(guò)程中的收縮亦會(huì)導(dǎo)致鑄型的尺寸精度下降。由于渦輪葉片對(duì)鑄造精度的要求極為嚴(yán)格，而上述問(wèn)題都會(huì)造成鑄型的完整性和精度嚴(yán)重受損，從而無(wú)法滿足渦輪葉片的澆鑄要求，可見(jiàn)在整體式渦輪葉片的制備過(guò)程中依然存在著很大的挑戰(zhàn)。

圖8 鑄型干燥裂紋Fig.8 Crack of ceramic mold in drying process

圖9 鑄型脫脂裂紋Fig.9 Cracks of ceramic mold in debinding process

針對(duì)上述整體式氧化鈣基陶瓷鑄型在制備過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，課題組提出采用固體干燥和真空脫脂的方法予以解決。

固體干燥法的核心工藝為：首先在一個(gè)干燥容器內(nèi)裝滿固體干燥劑，然后將凝膠注模得到的氧化鈣基陶瓷鑄型的濕坯埋置于固體干燥劑之中，隨后將整個(gè)干燥容器置于普通的對(duì)流干燥箱中進(jìn)行加熱干燥，如圖10 所示。

以某型導(dǎo)向葉片氧化鈣基陶瓷鑄型的制備為例（圖11），該方法相對(duì)傳統(tǒng)的真空加熱干燥或者真空冷凍干燥具有3 個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)： （1）固體干燥劑覆蓋在陶瓷素坯表面，阻隔了氧化鈣陶瓷鑄型與空氣的直接接觸，可以避免CaO 的水解，因而無(wú)需抽真空，直接置于普通的對(duì)流加熱干燥箱中即可完成干燥； （2）由于無(wú)需抽真空，TBA 的沸點(diǎn)仍然維持在82.5℃，既不需要太高的加熱溫度，TBA的揮發(fā)速率也相對(duì)緩慢，不會(huì)因?yàn)檫^(guò)快的干燥速率引起鑄型坯體的開(kāi)裂；（3）固體干燥劑和陶瓷坯體之間存在微摩擦力，具有一定的抑制素坯收縮的效果。因此，固體干燥方法是一種非常適用于氧化鈣陶瓷鑄型的干燥方法，用該方法可制得無(wú)干燥裂紋的整體式氧化鈣陶瓷鑄型，如圖11（b）所示。

由于在大氣脫脂過(guò)程中樹(shù)脂原型與有機(jī)凝膠分解產(chǎn)生的水蒸氣會(huì)與鑄型基體的CaO 材料發(fā)生反應(yīng)，造成鑄型表面的起皮與開(kāi)裂。而真空脫脂工藝中，由于脫脂爐內(nèi)是高真空環(huán)境，樹(shù)脂與坯體內(nèi)的有機(jī)凝膠不存在劇烈的氧化分解過(guò)程，而是逐漸被脫水、碳化。因此該工藝有兩個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：一方面脫脂過(guò)程中樹(shù)脂原型與有機(jī)凝膠熱解產(chǎn)生的水蒸氣會(huì)被真空泵快速帶走，避免因水蒸氣與氧化鈣陶瓷鑄型表面發(fā)生反應(yīng)而造成的鑄型表面起皮；另一方面由于樹(shù)脂原型在真空脫脂過(guò)程中是緩慢碳化，而不是劇烈的分解，因此不會(huì)存在樹(shù)脂原型的體積快速膨脹和分解氣體的大量溢出，從而減小了對(duì)氧化鈣陶瓷鑄型坯體的擠壓，避免了陶瓷鑄型在脫脂過(guò)程中的開(kāi)裂，因此可以獲得結(jié)構(gòu)完整、無(wú)開(kāi)裂的整體式氧化鈣陶瓷鑄型，如圖11（c）所示。進(jìn)一步的，將脫脂后的陶瓷鑄型置于大氣燒結(jié)爐中進(jìn)行高溫強(qiáng)化燒結(jié)（燒結(jié)溫度1450 ℃，保溫時(shí)間1 h），即可獲得結(jié)構(gòu)完整的氧化鈣基陶瓷鑄型（圖11（d））。

圖10 固體干燥工藝示意圖Fig.10 Schematic diagram of solid drying process

圖11 某型導(dǎo)向葉片氧化鈣基陶瓷鑄型制備Fig.11 Preparation of CaO-based ceramic mold for guide blade

為了降低整體式氧化鈣基陶瓷鑄型的燒結(jié)收縮率和提高氧化鈣基陶瓷鑄型的力學(xué)性能，課題組提出了添加MgO、金屬鋯粉和ZrO2短切纖維[28]綜合調(diào)控的方法，最終制備出性能良好的整體式氧化鈣基陶瓷鑄型。表2 是本研究制備的氧化鈣陶瓷鑄型的性能與華中科技大學(xué)制備的氧化鈣基陶瓷型芯[12]以及北京航空材料研究院制備的AC–2 陶瓷型芯[29]的性能對(duì)照表。

由表2 中對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出，本研究制備的氧化鈣基整體式陶瓷鑄型已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)低收縮控制，且力學(xué)性能基本與北京航空材料研究院制備的AC–2 型芯相當(dāng)，已經(jīng)能夠滿足精密鑄造的要求。

表2 氧化鈣基整體式陶瓷鑄型與氧化鈣陶瓷型芯及AC–2 型芯的性能對(duì)比Table 2 Performance comparision of integral CaO-based ceramic mold, CaO-ceramic core and AC–2 ceramic core

3 整體式氧化鈣基鑄型的應(yīng)用前景

雖然整體式氧化鈣基陶瓷鑄型目前在制備工藝中存在一些挑戰(zhàn)和困難，但是其兼具了整體式陶瓷鑄型和氧化鈣陶瓷鑄型兩者的優(yōu)點(diǎn)，因此在渦輪葉片精密鑄造中仍具有很大的應(yīng)用前景。

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比要求的不斷提高，渦輪前進(jìn)氣溫度也在不斷提升，對(duì)冷卻效率的要求也越來(lái)越高，這必然使得葉片內(nèi)部的冷卻結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，進(jìn)而加大了渦輪葉片的制造難度。雙層壁冷卻作為下一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)透平葉片的高效冷卻技術(shù)，具有很高的冷卻效率[30]，如圖12 所示，但是其復(fù)雜的雙層薄壁結(jié)構(gòu)也為葉片的制造帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。整體式氧化鈣基鑄型因型芯/型殼一體化成型，制造工藝無(wú)需受到模具的制約，能夠快速有效地成型雙層壁葉片的陶瓷鑄型，打破制造對(duì)設(shè)計(jì)的制約。

圖12 雙層壁葉片模型[30]Fig.12 CAD mold of double wall turbine blades[30]

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的不斷提高，渦輪進(jìn)口溫度也不斷提高。推重比12～15 一級(jí)渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪前溫度已經(jīng)達(dá)到2000～ 2100 K，而下一代推重比15～20 一級(jí)渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪前溫度則可能提高到2050～2150 K?？紤]到新型雙層壁冷高效冷卻和熱障涂層的降溫效果，對(duì)渦輪葉片材料本身承溫能力的要求也由1320～1370 K 提高到1420～1570 K[31]。面對(duì)下一代更大推重比的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，現(xiàn)有的鎳基高溫合金渦輪葉片顯然已經(jīng)無(wú)法滿足其要求。新型的鈮–硅基合金（Nb–Si） 熔點(diǎn)高、密度小、具有較高的高溫強(qiáng)度和一定的室溫韌性，有望成為1200～1400 ℃溫度下工作的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片候選材料。然而，鈮–硅基超高溫合金的熔點(diǎn)高達(dá)1800 ℃，現(xiàn)有的硅基和鋁基的鑄型都無(wú)法滿足如此高溫度的鑄造要求；且鈮–硅基超高溫合金中含有的Ti、Hf 等活潑元素會(huì)與硅基或鋁基陶瓷鑄型的表面發(fā)生反應(yīng)，影響鑄型的表面質(zhì)量。氧化鈣使用溫度高，高溫化學(xué)穩(wěn)定性好，在新一代鈮–硅基超高溫合金渦輪葉片的制造中具有很大的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

CaO 使用溫度高、高溫穩(wěn)定性好、易脫除、易獲取、價(jià)格低廉，是一種可用于渦輪葉片精密鑄造的理想鑄型材料，但是易水化的致命缺點(diǎn)導(dǎo)致其難以得到廣泛應(yīng)用。基于光固化3D 打印技術(shù)的型芯/型殼一體化鑄型制造技術(shù)，為整體式氧化鈣基陶瓷鑄型的制備和應(yīng)用提供了一種行之有效的工藝方法。通過(guò)采用非水基凝膠注模方法可以有效避免CaO在制備過(guò)程中的水化問(wèn)題，同時(shí)結(jié)合材料配方的優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決了鑄型在貯存和使用過(guò)程中的水化問(wèn)題，制備出的整體式氧化鈣基陶瓷鑄型滿足了空心渦輪葉片精密鑄造的基本使用要求。就目前來(lái)看，整體式氧化鈣基陶瓷鑄型在渦輪葉片精密鑄造中具有非常大的應(yīng)用前景，但是其制造工藝的優(yōu)化，高溫力學(xué)性能、高溫抗蠕變性能以及尺寸精度的工藝控制依然是后續(xù)研究的重點(diǎn)。