摘要：上海大学任忠鸣教授团队基于陶瓷型芯在制备过程中存在的尺寸控制不精准和强度不达标、易断裂、变形多等问题，介绍了陶瓷型芯的分类、特点以及主要制备方法。阐述了近年来陶瓷型芯的研究进展，重点探讨了矿化剂调控陶瓷型芯性能的机理研究，并对未来陶瓷型芯制造技术的发展以及高性
导读
上海大学任忠鸣教授团队基于陶瓷型芯在制备过程中存在的尺寸控制不精准和强度不达标、易断裂、变形多等问题，介绍了陶瓷型芯的分类、特点以及主要制备方法。阐述了近年来陶瓷型芯的研究进展，重点探讨了矿化剂调控陶瓷型芯性能的机理研究，并对未来陶瓷型芯制造技术的发展以及高性能陶瓷型芯的应用进行了展望。
航空发动机涡轮叶片是航空工业的关键部分，其性能提升对行业发展至关重要。目前，提高涡轮叶片承温能力是现代航空工业面临的主要挑战。随着技术进步，研究重点转向空心叶片冷却技术，这能有效提升叶片承温能力并减轻重量，从而增强发动机性能。但复杂内部结构要求采用精密铸造技术，传统方法已不适用。
精密铸造中，陶瓷型芯需承受高压和高温，对性能要求高，包括尺寸稳定性、强度、化学稳定性和易脱除性。由于工作环境复杂，单一材料的陶瓷型芯难以满足要求，需添加矿化剂以提升性能。但陶瓷型芯结构复杂，易出现裂纹和尺寸精度问题，给生产带来困难，阻碍行业发展。尽管我国在陶瓷型芯技术上有所进步，但与国际先进水平仍有差距。因此，制备高性能陶瓷型芯和改进工艺对推动我国航空工业发展至关重要。本研究详述陶瓷型芯分类、特点、制备工艺及矿化剂作用机理，旨在为相关研究提供参考。
【图文结果】
1陶瓷型芯分类及制备方法
在高温合金精密铸造中，常选用由耐火材料制备的陶瓷型芯，按照基体材料化学成分可以分为SiO2基陶瓷型芯、Al2O3基陶瓷型芯、MgO基陶瓷型芯以及纳米复合陶瓷型芯，见图1。
图1陶瓷型芯分类及其主要特点
硅基陶瓷型芯由熔融石英制成，具有高温下相变特性，析出方石英晶体可提升性能，但过多则导致内应力和微裂纹，影响抗弯强度。因此，控制方石英析出量是关键。石英玻璃型芯具有良好的热稳定性和耐高温性，便于脱芯，但无法精确控制方石英析出量，且只适用于1550℃以下浇注，高温下易与合金反应，影响叶片品质。铝基陶瓷型芯以电熔刚玉为基体，热稳定性高，与氧化铝型壳热匹配性好，但线热膨胀系数高，烧结温度高，能耗大，脱芯困难。镁基陶瓷型芯以纯MgO为基体，熔点高，抗化学反应能力强，铸件内腔表面光滑，但线热膨胀系数大，烧结收缩率高，抗热震性能差，难以大规模应用。纳米复合陶瓷型芯由多种基体材料制成，性能优于单一材料型芯，但尚在研究阶段，应用有限。其他耐火材料型芯如氧化钙基、稀土氧化钇基陶瓷型芯也在研究中。
陶瓷型芯的制备方法分为传统和新兴两种。传统方法利用模具制造特定形状的陶瓷型芯，如热压注成形法、传递成形法、灌浆成形法等；新兴方法主要是3D打印成形法，也称为增材制造技术，能灵活、精确地制造零部件。热压注法涉及将物料混合搅拌成浆料，然后用热压注射机注入模具中压制型芯，此法能制备复杂结构的型芯，应用广泛。
图2热压注成形法制备陶瓷型芯素坯流程
传递成形法涉及将陶瓷粉料与热固性树脂混合后注入预热模具，保温凝固后形成具有一定强度的素坯，修整后高温煅烧得到陶瓷型芯。灌浆成形法使用遇水溶解粘结剂的陶瓷浆料，通过重力固化，但制得的陶瓷型芯强度低、致密度差，表面和尺寸精度不佳。
3D打印成形法无需模具即可制造复杂结构零部件。适用于陶瓷型芯的3D打印技术包括激光选区烧结（SLS）、激光选区熔化（SLM）、立体光刻（SLA）、数字光处理（DLP）和双光子聚合（TPP）。基于陶瓷浆料的3D打印技术分辨率高，精度和表面质量好，原理为光固化成形。DLP技术工作示意图见图3。LI Q L等通过有限元模拟和试验研究了浆料流动特性与陶瓷型芯裂纹、元素分布和孔隙演化的关系，见图4，优化了3D打印陶瓷型芯技术。
图3DLP工作示意图
1.树脂浆料2.树脂料槽3.打印平台4.打印零件5.控制系统6.CAD文件7.投影光源8.振镜9.透光窗口
图4SST k-ω模型模拟基于还原光聚合技术50～200 μm浆体散布厚度下的浆体速度场
2陶瓷型芯性能调控
精密铸造空心气冷叶片对陶瓷型芯要求甚高，但所用基体材料都存在一些缺点（见表2），因此要在原料中添加矿化剂来调控陶瓷型芯的性能，从而制备出综合性能高的陶瓷型芯，提升浇注合格率，保障航空发动机涡轮叶片的制造。
硅基陶瓷型芯的基体材料石英玻璃粉在高温下会发生晶型转变，生成的方石英影响型芯的力学性能。研究主要集中在调控方石英析出量、提升型芯性能及解决增材制造技术问题。周宇豪等通过热压注方法制备型芯试样，发现电熔刚玉加入量增加导致方石英析出量减少，高温挠度先降后升。高温稳定相莫来石的生成提升了型芯高温抗变形性能，但方石英析出量过低会增加高温挠度。
图5不同电熔刚玉含量下型芯中方石英含量和高温挠度变化
杨建等以石英玻璃粉为原料，添加不同含量硅酸铝纤维，制备SiO2陶瓷型芯试样，探究其对型芯析晶和性能的影响。硅酸铝纤维增加导致型芯中方石英含量上升，高温强度先增后减，高温挠度下降。硅酸铝纤维分解产物方石英与莫来石强化型芯，但过多方石英析出会削弱高温强度。
图6不同硅酸铝含量下型芯中方石英含量、高温强度及高温挠度变化
NIU S X等研究莫来石纤维对硅基陶瓷型芯的影响，发现添加3%莫来石纤维可提高型芯中方石英析出量，降低收缩率与高温挠度，提升显气孔率、溶蚀率与抗弯强度。李鑫等研究金属铝粉对型芯性能的影响，发现铝粉添加会抑制烧结收缩与铸造收缩，但降低高温抗弯强度。3D打印的台阶效应导致型芯性能各向异性，NIU S X等研究发现氧化铝粉末可缓解此问题。铝粉、SiB6和SiC纤维均有助于控制3D打印型芯的各向异性。WANG X T等运用分子动力学研究了不同材料的相容结合能力。
图7基于数字光处理技术制备陶瓷型芯不同打印方向示意图
图8分子层模型
铝基陶瓷型芯具备耐高温和化学稳定性，适用于制造高品质空心内腔叶片。然而，烧结和脱芯难题限制了其发展。研究者杨志彬等利用干压法制备陶瓷型芯素坯，并研究了烧结温度和液态硅树脂含量对型芯性能的影响。结果显示，液态硅树脂显著影响型芯的抗弯强度、线性收缩率、显气孔率和体积密度。最佳条件下，液态硅树脂质量分数为0.8%，烧结温度为1550℃时，抗弯强度达到50.76 MPa。芦刚等通过添加PA66纤维改善了型芯的气孔率和溶蚀率。LI Q L等采用熔融石英矿化剂和3D打印技术制备铝基陶瓷型芯，并研究了烧结温度和熔融石英掺杂量对型芯性能的影响，发现最佳性能的型芯在1400℃下制备，含20%熔融石英，具有40%的开气孔率和25 MPa的抗弯强度。
图9展示了陶瓷型芯加入PA66纤维前后的烧结扩散情况。
图10展示了不同烧结温度下含20%熔融石英的铝基陶瓷芯的SEM图像。
图10在不同烧结温度下含20%熔融石英的铝基陶瓷芯的SEM图
3矿化剂作用机理研究
硅基陶瓷型芯中矿化剂的作用包括：烧结助剂，增加物质传输，致密化型芯；影响方石英析晶，改善型芯性能；高温稳定相，支撑型芯高温强度，阻碍物质传输；骨架桥连作用，减少颗粒滑移。铝基陶瓷型芯中矿化剂主要作用为：烧结助剂，促进物质流动；提高气孔率，改善脱芯问题；添加高温稳定相，提升型芯性能。图11展示了添加莫来石纤维的硅基陶瓷型芯断裂情况。矿化剂可能产生多方面影响，如电熔刚玉与SiO2反应生成莫来石，影响方石英析晶并生成高温稳定相。
图11添加莫来石纤维的硅基陶瓷型芯断裂示意图
硅基陶瓷型芯矿化剂作用机理包括：低熔点物质作为烧结助剂，加速物质流动；适量低熔点相促进烧结，过多则不利；影响方石英析晶的矿化剂与基体SiO2反应或提供形核位点；高温稳定相提升型芯高温力学性能，但含量不宜过高；骨架桥连作用的纤维材料提升抗弯强度。
铝基陶瓷型芯矿化剂作用机理：添加矿化剂以提升综合性能和强度；解决脱芯问题，增加气孔率和溶蚀率。图12展示了SiO2纤维对铝基陶瓷型芯溶蚀的影响。
【总结与展望】
随着我国航空工业的发展，航空发动机对涡轮叶片的性能要求不断提高。为了提升叶片气冷效率，陶瓷型芯的结构也变得更加复杂。因此，制造高性能的陶瓷型芯以提升发动机性能变得尤为重要。目前，传统的陶瓷型芯制备工艺复杂且难度较高，极大增加了精密铸造空心叶片的成本。简化工艺、降低型芯制造难度可以有效推动航空发动机的发展。对于高性能陶瓷型芯领域的技术提升，未来可以从以下方面着手。
（1）调整陶瓷型芯中矿化剂使用复合矿化剂弥补单一矿化剂带来的不利影响是目前研究的重点，添加新型矿化剂并改变其含量对型芯整体性能进行调控；通过调整型芯中基体材料来改善综合性能，研究综合性能良好的新型耐火材料如高熵陶瓷等作为制造陶瓷型芯的基体材料；通过对基体材料性能的提高来提升型芯的整体性能。
（2）在制备技术及工艺上进行改善增材制造技术在制造过程中无须模具且能够降低制备周期，在极大简化制造工艺、节省制造成本的同时，还提供了更多的灵活性，并且能够在计算机的控制下制备结构更为复杂、尺寸更为精密的陶瓷型芯。虽然目前还存在许多需要解决的问题，无法大规模应用，但由于其工艺上的巨大优势，在未来的发展中拥有巨大潜力。
【文章来源】
本文系发表于2025年第45卷第2期特种铸造及有色合金上发表的文章，文章题目为“矿化剂对陶瓷型芯组织和性能调控研究进展”。
【引用格式】
张强，丁方政，玄伟东，等. 矿化剂对陶瓷型芯组织和性能调控研究进展［J］. 特种铸造及有色合金，2025，45（2）：179-186.
Citation:ZHANG Q，DING F Z，XUAN W D，et al. Progress in mineralizer regulating microstrcture and properties of ceramic cores［J］. Special Casting & Nonferrous Alloys，2025，45（2）：179-186.
来源：特铸杂志
