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隨著航空發動機進口燃氣溫度的不斷提高，僅僅依靠提高材料的承溫能力和采用隔熱措施等方法已經無法滿足渦輪葉片的服役需求。目前，采用復雜氣冷內腔結構來改善發動機渦輪葉片的散熱能力已成為先進發動機制造的關鍵技術。在此過程中，陶瓷型芯的制備成為鑄造具有復雜氣冷內腔結構葉片的核心技術。陶瓷型芯的主要作用是形成葉片內部冷卻通道，應具有良好的化學穩定性和熱穩定性、較低的線膨脹系數、合適的氣孔率以及易于從鑄件中脫除等特點，其性能和質量直接影響著空心葉片的質量。燃氣輪機技術的不斷發展對陶瓷型芯的性能優質化和形狀復雜化有了更高的期望，傳統的鑄造方法已經無法滿足該需求。近年來，增材制造技術受到人們的關注，并為陶瓷型芯的制備提供了新的解決方案。相比傳統的鑄造方法，增材制造技術可以通過層層堆疊材料來直接成型內腔復雜的零件，不僅縮短了研發周期，還可以更好地控制產品的尺寸精度。

目前，應用于陶瓷型芯制備方面的增材制造技術主要包括選區激光燒結技術、光固化技術、直寫成型技術和黏結劑噴射技術。其中，黏結劑噴射成型又稱為微噴射3D打印(Micro-Droplet Jetting 3D Printing)，該技術的工作原理如下：將設計好的零件在計算機軟件上進行切片處理，設定每一層行進的路徑和各打印參數；打印設備通過輥輪在打印平臺上鋪上一層粉體材料，噴頭根據計算機設定的位置將黏結劑噴射到粉末上，使其黏結在一起；打印平臺下降一個層厚的高度，通過輥輪鋪設下一層的粉體材料。如此循環，逐漸完成整個零件結構的打印。打印完成后，通過脫粉、燒結等后處理工藝，對打印的零件進行進一步加工。相比于其他工藝，黏結劑噴射技術有以下獨特的優點：

(1)制造成本較低；

(2)噴頭可以在多個位置同時進行打印，生產效率高；

(3)可以通過調整噴頭的溫度、噴嘴的形狀、噴頭的速度等參數來控制陶瓷型芯的質量以及性能；

(4)適用于多種材料的型芯制備；

(5)需要的原料粉末相比于絲線、板材等更容易獲取。

然而，目前黏結劑噴射技術在制備陶瓷型芯方面還存在著不足之處，包括以下幾個方面：

(1) 不同的粉末需要選擇不同的黏結劑，這增加了材料選擇和調試的復雜性；

(2)制備的試樣在燒結過程中由于黏結劑的揮發會產生孔隙，導致相對密度較低；

(3)制備速率相對較慢，每一層都需要時間干燥；

(4)噴射過程中黏結劑會飛濺到周圍區域，導致制造出的試樣表面粗糙，影響最終產品的質量；

(5)由于使用黏結劑，在后處理過程隨著溫度升高，陶瓷顆粒之間的黏結力增強，孔隙逐漸減少，導致零件整體收縮，影響零件的尺寸度。黏結劑噴射技術存在的不足可以通過改變制備工藝參數來進行改進。

為了給相關研究人員提供參考，作者主要對粉末、黏結劑、成形工藝和后處理工藝這4個方面的參數對陶瓷型芯抗彎強度、尺寸精度和表面質量的影響進行了綜述，并提出了未來的發展方向。

1、  粉末的影響 

粉末的性質對于陶瓷型芯的強度、尺寸精度和表面質量具有重要影響，其中粉末的平均粒徑和粒徑分布是關鍵影響因素。通常較細的粉末可以減少階梯效應帶來的影響，提高分辨率，使得零件的 表面質量提高。然而，當粉末過于細小時，在制備型芯時粉末會發生團聚， 導致型芯表面粗糙度增加。由細小顆粒組成的平滑粉末床 ,可以減少顆粒與黏結劑之間的相互作用 ,避免產生液滴飛濺或顆粒噴射，從而提高型芯的尺寸精度。

同時，細小的粉末可以產生較薄的打印層，減少黏結劑在垂直滲透方向上的距離，促進黏結劑在粉末層中的滲透，從而提高層間黏合程度，提高零件的強度。MOGHADASI等研究發現，以TP80陶瓷細粉(粒徑小于53μm)、中粉(粒徑在53~ 90μm)和粗粉(粒徑在90~150μm)為原料，采用黏結劑噴射技術制備的陶瓷試樣的抗彎強度和相對密度明顯不同，其中細粉的燒結性好，以細粉為原料制備的試樣抗彎強度最高，中粉流動性好，以中粉為原料制備的試樣的相對密度最高，但當粉末粒徑進一步提高時，相對密度又會因燒結性能的下降而降低。

MANOTHAM等在此基礎上研究了平均粒徑為3μm的細粉末和平均粒徑為1.65μm的超細粉末組成的混合粉末對黏結劑噴射陶瓷型芯致密性及力學性能的影響，發現當超細粉末的質量分數超過30%時，陶瓷型芯的致密性和強度降低。ZHOU等研究發現，與粒徑為30~110μm的磷酸鈣粉末相比，粒徑小于20μm的磷酸鈣細粉末所形成的松散粉末床會導致黏結劑噴射生坯的表面質量和抗彎強度降低。LU等研究發現，在黏結劑噴射過程中，與粒徑為20~45μm，45~75μm，75~150μm的粉末相比，粒徑小于20μm的TiNiHf粉末可以產生更高強度的網狀結構生坯，并且生坯表面更光滑。PARK等研究了質量分數100%的常規莫來石珠(平均粒徑為250μm) 、50%常規莫來石珠和50%鋯石粉(平均粒徑為43μm)、50%常規莫來石珠和50%莫來石粉(平均粒徑為16μm)對黏結劑噴射陶瓷型芯性能的影響，發現莫來石珠混合莫來石粉制備的陶瓷型芯的抗彎強度最高，其次是莫來石珠混合鋯石粉，純莫來石珠制備的陶瓷型芯的抗彎強度最低。這是因為不同粒徑分布的混合粉末可以增加陶瓷型芯的填充密度，提高無機黏結劑的涂敷率，從而提高陶瓷型芯的力學性能。

2、  黏結劑的影響 

黏結劑要求與打印頭兼容、具有低的黏度以便從噴頭中噴出，同時黏結后應具有高強度以及綠色無污染的特點 。影響陶瓷型芯強度、表面質量和尺寸精度的黏結劑參數主要包括黏結劑的物理化學性能、添加劑的種類、黏結劑的液滴速度、黏結劑的飽和度以及固體黏結劑的體積分數。目前，研究重點主要集中在黏結劑的飽和度和添加劑種類方面。黏結劑的飽和度對陶瓷型芯性能的影響主要體現在其黏度和流動性上。當黏結劑的飽和度較高時，較大的黏度可以更好地滿足陶瓷型芯的尺寸精度和穩定性要求。通過向黏結劑中添加各種添加劑，如凝固劑、助流劑、保溫劑、潤滑劑、pH調節劑等可以改善黏結劑的特性，進而改善陶瓷型芯的質量。

ZHAO等以CaO粉末為前體材料、納米氧化鋯無水乙醇溶液懸浮液為黏結劑，采用黏結劑噴射技術制備陶瓷型芯，研究了黏結劑飽和度對陶瓷 型芯性能的影響，發現在1300℃燒結溫度下，隨著黏結劑飽和度從10%提高到100%，陶瓷型芯的抗彎強度從7.2MPa增加到14MPa。VAEZI等研究發現，當黏結劑飽和度由90%增加到125%時，黏結劑噴射陶瓷型芯的抗彎強度提高，但尺寸精度和表面質量下降。

因此，采用黏結劑噴射技術時，需選擇合適的黏結劑飽和度，以獲得最佳性能和表面質量的陶瓷型芯。HUANG等嘗試用無機膠體黏結劑替代樹脂和納米顆粒懸浮液等常規黏結劑，對比研究了不同飽和度下無機膠體黏結劑和常規黏結劑制備陶瓷型芯的打印質量，發現在100%的飽和度下，用含質量分數35%堿式碳酸鋯的無機膠體黏結劑，在1600℃溫度下燒結的陶瓷型芯表現出最佳的打印質量。這是由于在打印過程中無機膠體黏結劑具有更好的流動性和潤濕性，促進了顆粒之間的黏結。付培國等用納米TiO2無水乙醇分散液作為黏結劑，采用微噴射黏結工藝和燒結工藝制備CaO陶瓷型芯 ,發現隨著黏結劑噴射量的增加 , 陶瓷型芯坯體的收縮率和表面粗糙度減小 , 同時致密性、抗彎強度和抗吸濕性提高。HUANG等將不同含量的堿式碳酸鋯(ZBC)添加劑加入到無機黏結劑中，研究了ZBC含量對噴射后陶瓷型芯性能的影響，發現當ZBC質量分數由0增加到35%時，1500℃下燒結得到陶瓷型芯的密度增加，抗彎強度由60MPa提高到79MPa，線性收縮率從20%降低到13%。這是由于隨著ZBC含量的增加，黏結劑的表面張力降低，流動性和濕潤性提高，飛濺現象減少，同時ZBC在燒結過程中分解產生的ZrO2顆粒填充空隙，使得表面形貌更加均勻，進而對陶瓷型芯的力學性能產生影響。

ZHAO等開發了2種納米氧化鋯添加方法的打印工藝，一種方法是將納米氧化鋯懸浮液加入到黏結劑中，另一種方法是直接將納米氧化鋯與CaO粉末混合作為前體粉末材料，結果表明：納米氧化鋯和CaO會反應生成CaZrO3，從而提高陶瓷型芯的強度；將納米氧化鋯加入黏結劑中形成的CaZrO3層的厚度和完整性優于直接混合在CaO粉末中，得到的陶瓷型芯具有更高的尺寸精度、表面質量、相對密度、抗彎強度以及抗水化性能，這是由于將納米氧化鋯懸浮液作為黏結劑可以實現納米氧化鋯與CaO的均勻分散。趙火平等采用納米氧化鋯分散液代替常規有機黏結劑作為噴射溶液，當分散液的噴射體積與粉層空隙體積之比從0增加到1.75時，由于納米氧化鋯分散液中的顆粒填充了粉層空隙，坯體的相對密度增大，燒結線性收縮率減小6%~8%，表面粗糙度減小57%，抗彎強度和硬度分別提高了124%和187%。

綜上，增加黏結劑飽和度可以顯著提高陶瓷型芯的抗彎強度和相對密度，但可能導致尺寸精度和表面質量的降低。在黏結劑中添加納米顆粒懸浮液后可以使陶瓷型芯獲得更好的尺寸精度和抗彎強度。另外，與常規黏結劑相比，無機膠體黏結劑具有更好的流動性和潤濕性，可促進顆粒之間的黏結，從而在燒結過程中形成更致密的結構，進而改善陶瓷型芯的表面質量和性能。

3、  成形工藝的影響 

影響黏結劑噴射陶瓷型芯質量的成形工藝參數包括鋪粉層厚、打印方向、鋪粉速度、燒結溫度、噴頭高度等。在采用黏結劑噴射技術制備陶瓷型芯時，鋪粉層厚應高于粉末的最大粒徑，在黏結劑飽和度固定時，隨著鋪粉層厚的增加，陶瓷型芯的質量降低，并且當鋪粉層厚和黏結劑飽和度同時增加時，陶瓷型芯的質量并未得到明顯改善，這是因為加入過多的黏結劑會導致粉末床表面的塌陷和變形。趙火平等研究了在以質量分數55%酚醛樹脂溶液和水玻璃溶液為黏結劑條件下，噴頭高度(1.0~4.5mm)對黏結劑噴射陶瓷型芯質量的影 響 ,發現當噴頭高度為1.5mm時，陶瓷型芯的尺寸穩定性最好，尺寸誤差都控制在0.2mm之內，當噴頭高度過高時，黏結劑液滴的噴射精度低，導致陶瓷型芯的尺寸精度變差；同時發現隨著鋪粉層厚的增加，陶瓷型芯的相對密度減小，燒結收縮率增加，因此抗彎強度降低。

隨著鋪粉速度的增大，鋪粉器前端粉末易在已成型粉層上表面形成拱橋結構，導致新粉層的相對密度降低，使得所制備的陶瓷型芯抗彎強度下降。FARZADI等提出，合適的鋪粉層厚和打印方向可以提高陶瓷型芯的抗彎強度和尺寸精度。李喬磊等研究發現，隨著燒結溫度的升高，硅基陶瓷型芯的打印面表面粗糙度先降后增。

綜上：隨著噴頭高度的增加，陶瓷型芯尺寸精度降低；隨著鋪粉層厚或鋪粉速度的增大，陶瓷型芯抗彎強度下降；隨著燒結溫度的升高，表面質量呈先提高后降低的趨勢。

4、  后處理工藝的影響 

黏結劑噴射制備的生坯力學性能不足，通常需要進行后處理。然而，常用的脫粉、燒結等后處理會對陶瓷型芯的質量產生負面影響，如脫粉會影響表面粗糙度，而燒結會導致陶瓷型芯收縮，影響尺寸精度。為此，一些研究者采用化學蒸汽滲透(CVI)、聚合體浸漬工藝(PIP)、反應熔融滲透(RMI)等技術對黏結劑噴射陶瓷型芯進行致密化，隨后進行燒結以改善其性能和尺寸精度；在PIP和 RMI的致密化過程中，通過浸漬無機黏結劑或者 涂敷無機黏結劑來強化陶瓷型芯。3種致密化工藝 的對比結果如表1所示。

表 1  不同致密化工藝的對比

一些研究者還采用無機黏結劑浸漬、硅溶膠室溫浸涂處理等方法對陶瓷型芯進行致密化。KIM等研究發現，對黏結劑噴射陶瓷型芯進行一次無機黏結劑浸漬后，陶瓷型芯的抗彎強度達到5.8MPa，比未浸漬前提升2MPa以上，經2次無機黏結劑浸漬后抗彎強度變化不大，而經過3次無機黏結劑浸漬后抗彎強度達到了(12.5±0.9)MPa。 

這是由于顆粒上的玻璃相數量隨著浸漬次數的增加而增加，因此燒結后型芯的抗彎強度提升。PENG等提出了硅溶膠室溫浸涂處理和高溫燒結相結合的方法，研究發現：隨著硅溶膠濃度和浸涂時間的增加，黏結劑噴射工藝制備的氧化鋁陶瓷型芯的力學性能和表面質量顯著提升；當浸涂時間為90s，硅溶膠質量分數達到30%時，氧化鋁陶瓷型芯的最大抗彎強度達到44.8MPa，頂面表面粗糙度從6.87μm降至5.70μm，側面表面粗糙度從7.55μm降至6.46μm。

5、結束語

采用黏結劑噴射技術制備陶瓷型芯時具有制備速率快、工藝簡單、粉末利用率高等優點，但是制備出的陶瓷型芯在抗彎強度、尺寸精度和表面質量方面還有很大的提升空間。細小的粉末顆?？梢源龠M黏結劑滲透，提高型芯抗彎強度；不同粒徑粉末混合可以提高型芯的填充密度和黏結劑的涂敷率，進而增強型芯的抗彎強度。提高黏結劑的飽和度、在黏結劑中添加納米懸浮顆粒可以提高型芯的抗彎強度和表面質量，無機黏結劑相比于傳統黏結劑可以更好地促進粉末顆粒之間的黏結。隨著噴頭高度的增加，陶瓷型芯的尺寸精度降低，隨著鋪粉層厚或鋪粉速度的增大，陶瓷型芯抗彎強度下降，隨著燒結溫度的升高，型芯的表面質量呈先提高后降低的趨勢。多次浸漬或浸涂致密化劑可以使型芯的抗彎強度和表面質量提升?；谏鲜鲅芯拷Y果，未來的研究應主要集中在：

(1) 探索開發更高性能的黏結劑和粉末材料，以改善制備過程，增強打印件的力學性能；

(2) 進一步研究工藝參數的優化和控制方法，包括鋪粉層厚、噴頭高度、鋪粉速度、噴射量等參數的優化，以實現更精確和穩定的打印效果；

(3) 開發更有效的脫粉和致密化等后處理方法以及表面處理技術，以提高打印件的抗彎強度、尺寸精度和表面質量；

(4) 開發更高精度、更高速度的打印機，優化噴頭設計，改進粉末供給系統，提升打印過程的自動化水平。