分层挤出成形铸造用陶瓷型芯的精度控制及特性研究
发布时间：2021-10-12 05:46
陶瓷型芯与粘结剂砂型芯比较,具有型芯强度及耐火度高、透气性好,铸件表面光洁、尺寸精度好等多优点,不会产生夹砂、断流缺陷,能成形各类带细长流道的复杂铸件,是高端复杂铸件的常用铸造型芯,航空发动机空心叶片的铸造即采用陶瓷芯。采用3D打印快速成形陶瓷型芯实现快速铸造是快速成形技术研究应用的重要领域。分层挤出成形技术是一种基于浆料挤出的新型快速成形方法,与选择性激光烧结、微喷粘接等常用快速成形技术相比,分层挤出成形陶瓷型芯能够在常温、无需激光辐射的条件下成形三维陶瓷样品,具有设备成本低、材料体系绿色环保等突出优点,拓宽了快速成型技术在铸造领域的应用。本文基于分层沉积挤出（快速成形）思想,将高强度陶瓷型芯材料与整体分层沉积成型结合起来,制造复杂陶瓷铸造型芯,为各类复杂铸件精密快速铸造奠定理论与技术基础。本课题在国家自然科学基金面上项目“复杂陶瓷铸造型芯分层沉积挤出成型及其精确控制研究（No.51775204）”的资助下,系统地研究了分层挤出成形铸造用陶瓷型芯的精度控制与性能调控等若干关键问题,为陶瓷型芯快速低成本地成形奠定了理论基础,具有较大的理论与实际意义。本文的主要内容如下:（1）研制构建了...
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：148 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
快速成形技术整体工艺流程
华中科技大学博士学位论文7化整个工艺过程。图1-2复杂内腔结构整体芯陶瓷模具：（a）STL文件；（b）坯体；（c）烧结坯体[48]Figure1-2Integrallycoredceramicmoldforturbineairfoilwithacomplexinternalhollowstructurefabricatedusingceramicstereolithography:(a)STLfile,(b)greenbody,and(c)sinteredbodywithoutanycracksatcoreandshellparts1.1.2.4熔融沉积成形技术熔融沉积成形（Fuseddepositionofceramics，FDC）是由基于高分子聚合物等塑性材料成形的熔融沉积成形技术（Fuseddepositionmodeling，FDM）发展而成的成形方法，罗格斯大学和Argonne国家实验室率先提出FDC技术[26,50]。FDC通常采用热塑性树脂和陶瓷粉体颗粒的混合物作原材料，先经由制丝工艺制备出毫米级细丝，随后细丝受热熔融并按需逐层堆积最终成形三维的陶瓷生坯[2,29,51]。SriramRangarajan等[25]制备了以RU9作粘结剂、3wt.%油醇作分散剂的Si3N4混合物，其固含量控制在55vol.%且在185℃时能够成功制备陶瓷样品。Lous等[2,52]采用FDC技术制备压电陶瓷骨架，采用直径为5.08mm的喷嘴成功制备了2-2型复合材料结构，如图1-3所示，最终锆钛酸铅陶瓷固相含量为30%，通过FDC工艺成形的复合压电陶瓷结构的性能与采用双填法制备的试样性能相似，该压电陶瓷－聚合物复合材料可用于超声波成像。由高分子材料、石蜡以及粘结剂组成的热塑性树脂结合剂是目前最常用的FDC原料，能够成形出实际厚度毫米级的产品，但实际成形的陶瓷制件精度较低，并且由于受到材料熔点限制，可供选择的材料体系范围有限[53]。
华中科技大学博士学位论文8图1-3FDC工艺制备的各类传感器：（a）10×10管阵列；（b）波纹管；（c）螺旋；（d）弯曲传感器；（e）伸缩和（f）径向致动器[52]Figure1-3VarietyoftransducersmadebyFDC:(a)10×10tubearray;(b)bellows;(c)spiral;(d)curvedtransducer;(e)telescopingand(f)radialactuatorsmadebyFDC1.2课题研究现状及发展趋势分层挤出成形，也被称作直写成形，是一种采用水基或非水基的浆料在计算机控制下按照三维模型的切片路径层层堆积成形。分层挤出成形作为新兴的快速成形技术，因其具有设备成本低、材料体系普适性以及绿色环保等优点，近年来在陶瓷成形领域引起关注。1.2.1分层挤出成形技术概述分层挤出成形（Layeredextrusionforming）也可称为直写成形（Directinkwrite）技术，分层挤出成形技术不是一种单一的工艺，而是一个具有多样性、多用途、多尺度的过程技术群体[29,54]，一般而言有如下几种定义：（1）任何能够按照预先设定的模式或布局在不同的表面上沉积、涂敷或加工不同类型材料的技术或工艺；（2）能够在可重构的短生产运行中，使用与直接执行到潜在的大型复杂形状上
【参考文献】：
期刊论文
[1]陶瓷3D打印技术及材料研究进展[J]. 纪宏超,张雪静,裴未迟,李耀刚,郑镭,叶晓濛,陆永浩. 材料工程. 2018(07)
[2]陶瓷材料激光增材制造的研究现状及展望[J]. 倪荣萍,钱滨,刘畅,邱建荣. 激光与光电子学进展. 2018(01)
[3]陶瓷3D打印技术的研究与进展[J]. 李亚运,司云晖,熊信柏,邹继兆,曾燮榕. 硅酸盐学报. 2017(06)
[4]激光选区烧结陶瓷粉末材料的研究进展[J]. 郑玉惠,余欢,徐志锋,蔡长春,严青松,熊博文,汪志太. 铸造技术. 2009(02)
[5]碳化硅陶瓷预制体的选区激光烧结及真空压力渗铝[J]. 徐志锋,余欢,郑玉惠,蔡长春,严青松. 中国有色金属学报. 2008(10)
[6]基于螺杆挤出塑化熔融沉积先进快速成型技术的探讨[J]. 郭永彪,范桢,董祥忠. 中国高新技术企业. 2007(10)
[7]气压式熔融沉积系统丝宽与轮廓补偿研究[J]. 方勇,王伊卿,卢秉恒. 模具工业. 2007(02)
[8]微细光成形和LIGA工艺集成的可行性分析[J]. 王翔,赵钢,郭锐,李国锋,黄文浩. 中国机械工程. 2006(10)
[9]陶瓷材料的选区激光烧结快速成型技术研究进展[J]. 韩召,曹文斌,林志明,李江涛,冯涛. 无机材料学报. 2004(04)
[10]激光烧结快速制备自由形状纳米块体材料的试验研究[J]. 赵剑峰,黄因慧,花国然,张建华,王蕾,张永康,周建忠,周明. 材料科学与工程学报. 2003(03)
博士论文
[1]微喷射粘结快速成形铸造型芯关键技术研究[D]. 赵火平.华中科技大学 2015
[2]陶瓷无模直写成型技术的研究[D]. 李亚运.清华大学 2015
[3]胶态成型固化特性及其应用技术研究[D]. 谢甜甜.华中科技大学 2009
硕士论文
[1]分层挤出成形陶瓷型芯装置及成型性研究[D]. 胡芬.华中科技大学 2017
[2]空心叶片用氧化铝基陶瓷型芯性能改进研究[D]. 尹逊同.哈尔滨工业大学 2015
[3]高粘度材料三维打印机开发及食品药品打印研究[D]. 朱伟杰.浙江大学 2015
[4]空心叶片铸造用氧化硅陶瓷型芯的制备工艺[D]. 李敏.哈尔滨工业大学 2012
[5]镍基合金叶片铸造用氧化铝陶瓷型芯性能的研究[D]. 范蕙萍.哈尔滨工业大学 2008
本文编号：3432001
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：148 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
快速成形技术整体工艺流程
华中科技大学博士学位论文7化整个工艺过程。图1-2复杂内腔结构整体芯陶瓷模具：（a）STL文件；（b）坯体；（c）烧结坯体[48]Figure1-2Integrallycoredceramicmoldforturbineairfoilwithacomplexinternalhollowstructurefabricatedusingceramicstereolithography:(a)STLfile,(b)greenbody,and(c)sinteredbodywithoutanycracksatcoreandshellparts1.1.2.4熔融沉积成形技术熔融沉积成形（Fuseddepositionofceramics，FDC）是由基于高分子聚合物等塑性材料成形的熔融沉积成形技术（Fuseddepositionmodeling，FDM）发展而成的成形方法，罗格斯大学和Argonne国家实验室率先提出FDC技术[26,50]。FDC通常采用热塑性树脂和陶瓷粉体颗粒的混合物作原材料，先经由制丝工艺制备出毫米级细丝，随后细丝受热熔融并按需逐层堆积最终成形三维的陶瓷生坯[2,29,51]。SriramRangarajan等[25]制备了以RU9作粘结剂、3wt.%油醇作分散剂的Si3N4混合物，其固含量控制在55vol.%且在185℃时能够成功制备陶瓷样品。Lous等[2,52]采用FDC技术制备压电陶瓷骨架，采用直径为5.08mm的喷嘴成功制备了2-2型复合材料结构，如图1-3所示，最终锆钛酸铅陶瓷固相含量为30%，通过FDC工艺成形的复合压电陶瓷结构的性能与采用双填法制备的试样性能相似，该压电陶瓷－聚合物复合材料可用于超声波成像。由高分子材料、石蜡以及粘结剂组成的热塑性树脂结合剂是目前最常用的FDC原料，能够成形出实际厚度毫米级的产品，但实际成形的陶瓷制件精度较低，并且由于受到材料熔点限制，可供选择的材料体系范围有限[53]。
华中科技大学博士学位论文8图1-3FDC工艺制备的各类传感器：（a）10×10管阵列；（b）波纹管；（c）螺旋；（d）弯曲传感器；（e）伸缩和（f）径向致动器[52]Figure1-3VarietyoftransducersmadebyFDC:(a)10×10tubearray;(b)bellows;(c)spiral;(d)curvedtransducer;(e)telescopingand(f)radialactuatorsmadebyFDC1.2课题研究现状及发展趋势分层挤出成形，也被称作直写成形，是一种采用水基或非水基的浆料在计算机控制下按照三维模型的切片路径层层堆积成形。分层挤出成形作为新兴的快速成形技术，因其具有设备成本低、材料体系普适性以及绿色环保等优点，近年来在陶瓷成形领域引起关注。1.2.1分层挤出成形技术概述分层挤出成形（Layeredextrusionforming）也可称为直写成形（Directinkwrite）技术，分层挤出成形技术不是一种单一的工艺，而是一个具有多样性、多用途、多尺度的过程技术群体[29,54]，一般而言有如下几种定义：（1）任何能够按照预先设定的模式或布局在不同的表面上沉积、涂敷或加工不同类型材料的技术或工艺；（2）能够在可重构的短生产运行中，使用与直接执行到潜在的大型复杂形状上
【参考文献】：
期刊论文
[1]陶瓷3D打印技术及材料研究进展[J]. 纪宏超,张雪静,裴未迟,李耀刚,郑镭,叶晓濛,陆永浩. 材料工程. 2018(07)
[2]陶瓷材料激光增材制造的研究现状及展望[J]. 倪荣萍,钱滨,刘畅,邱建荣. 激光与光电子学进展. 2018(01)
[3]陶瓷3D打印技术的研究与进展[J]. 李亚运,司云晖,熊信柏,邹继兆,曾燮榕. 硅酸盐学报. 2017(06)
[4]激光选区烧结陶瓷粉末材料的研究进展[J]. 郑玉惠,余欢,徐志锋,蔡长春,严青松,熊博文,汪志太. 铸造技术. 2009(02)
[5]碳化硅陶瓷预制体的选区激光烧结及真空压力渗铝[J]. 徐志锋,余欢,郑玉惠,蔡长春,严青松. 中国有色金属学报. 2008(10)
[6]基于螺杆挤出塑化熔融沉积先进快速成型技术的探讨[J]. 郭永彪,范桢,董祥忠. 中国高新技术企业. 2007(10)
[7]气压式熔融沉积系统丝宽与轮廓补偿研究[J]. 方勇,王伊卿,卢秉恒. 模具工业. 2007(02)
[8]微细光成形和LIGA工艺集成的可行性分析[J]. 王翔,赵钢,郭锐,李国锋,黄文浩. 中国机械工程. 2006(10)
[9]陶瓷材料的选区激光烧结快速成型技术研究进展[J]. 韩召,曹文斌,林志明,李江涛,冯涛. 无机材料学报. 2004(04)
[10]激光烧结快速制备自由形状纳米块体材料的试验研究[J]. 赵剑峰,黄因慧,花国然,张建华,王蕾,张永康,周建忠,周明. 材料科学与工程学报. 2003(03)
博士论文
[1]微喷射粘结快速成形铸造型芯关键技术研究[D]. 赵火平.华中科技大学 2015
[2]陶瓷无模直写成型技术的研究[D]. 李亚运.清华大学 2015
[3]胶态成型固化特性及其应用技术研究[D]. 谢甜甜.华中科技大学 2009
硕士论文
[1]分层挤出成形陶瓷型芯装置及成型性研究[D]. 胡芬.华中科技大学 2017
[2]空心叶片用氧化铝基陶瓷型芯性能改进研究[D]. 尹逊同.哈尔滨工业大学 2015
[3]高粘度材料三维打印机开发及食品药品打印研究[D]. 朱伟杰.浙江大学 2015
[4]空心叶片铸造用氧化硅陶瓷型芯的制备工艺[D]. 李敏.哈尔滨工业大学 2012
[5]镍基合金叶片铸造用氧化铝陶瓷型芯性能的研究[D]. 范蕙萍.哈尔滨工业大学 2008
本文编号：3432001
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