精鑄型殼的增材制造技術研究進展

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（蘭州理工大學 a.省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室；b.材料科學與工程學院，蘭州 730050）

增材制造技術能夠快速成形復雜3D形狀的零件，制備精鑄型殼過程中可以實現單件小批量精鑄零件的快速柔性制造，滿足多樣化、個性化、小批量產品制造的市場需求。增材制造的樹脂模型可以代替傳統精鑄工藝中使用的蠟模，經掛漿撒砂干燥后，再通過加熱燒蝕去除樹脂模型后焙燒獲得型殼[1—2]，這種方法可沿用傳統精鑄生產線，但是工序較長，型殼在樹脂模型燒蝕過程中易變形開裂，并且對環境污染較大。更加可以充分發揮增材制造優勢的方法是直接增材制造精鑄型殼，將CAD模型通過分層堆積形成中空的精鑄型殼素坯，焙燒后獲得型殼[3—4]。目前可用于制備精鑄型殼的增材制造技術主要有三維打印法（3DP）、選擇性激光燒結法（SLS）、光固化成形法（SLA）以及漿料擠出法等，文中對這幾種技術的工藝原理和研究進展進行介紹，并分析影響因素和存在的問題。

1 三維打印法（3DP）

1.1 工藝原理和研究進展

三維打印法（Three-dimensional printing，3DP）將粘結劑噴射在鋪粉平面的鑄造耐火材料粉末上，將粉末分層粘接成形，其工藝原理見圖1。首先在鋪粉平面上鋪一層耐火材料粉末，根據精鑄型殼CAD模型的截面數據，在選定區域噴射粘結劑，完成一層的截面打印后，工作平臺下降一個層厚的距離，重復這個過程直至零件逐層打印完成，去除未粘接的松散粉末即可得到型殼素坯，經焙燒等后續工序后得到精鑄型殼[5]。3DP法的工藝可控性好，制造耗能低，在成形過程中不易出現開裂等缺陷，型殼的表面粗糙度較好。

圖1 3DP法原理Fig.1 Schematic diagram of 3DP process

成形材料是 3DP法制備精鑄型殼的關鍵。P.Rodríguez-González等[6]以半水硫酸鈣為粉末材料、2-吡咯烷酮為粘結劑，用3DP法制備了10 mm厚的精鑄型殼素坯，清理型殼內部松散粉末后，通過加熱去除半水硫酸鈣中的水分和揮發性物質，最后將型殼埋入干砂中進行澆注，CAD模型、型殼和鑄件實例見圖2[6]。Saptarshee Mitra等[7]研究了呋喃樹脂含量對3DP法成形硅砂砂型的影響，發現樹脂含量越高，砂型強度也越高，但需要選擇合適的固化溫度和時間，過度固化會導致樹脂橋降解，甚至砂型開裂。M.Kafara等[8]研究了粘結劑含量對3DP法成形立方體砂型精度的影響，發現粘結劑含量的增加導致固化收縮率增加，由于各部位的粘結劑含量不同，在邊緣處出現了翹邊現象。

掃描方式影響3DP法的成形質量和成形效率。Zhao等[9]提出用“線-面-實體”的掃描方式來代替“點-線-面-實體”的掃描方式，理論計算顯示可以大幅提高成形速度，用實際的3DP系統及其控制軟件進行了試驗，表明新的掃描方式效果良好。

圖2 3DP法制備的精鑄型殼實例[6]Fig.2 Example of investment casting ceramic shell prepared by 3DP process

1.2 影響因素和存在問題

成形材料方面。粘結劑使用過多會導致燒結后型殼的收縮過大，粘結劑使用過少會降低型殼的強度和致密度；調整粉末粒徑和級配以獲得合適的耐火材料粉末松裝密度；粘結劑和耐火材料粉末間的匹配對型殼的致密度和表面粗糙度影響較大。目前粘結劑和粉末等成形材料制約了3DP法制備精鑄型殼的發展，還需要進一步研究和優化材料體系，以滿足高質量精密鑄造的需要。

制備工藝方面。精鑄型殼對型腔的成形要求較高，而3DP法成形的復雜結構型腔內松散粉末的清理比較困難，往往需要很長的時間，而且去除松散粉末和支撐時經常出現表面缺陷，需要進行人工修補，導致表面質量明顯降低[10]。3DP法要使用大量的粘結劑，在用高溫燒結或熱等靜壓燒結工藝處理型殼素坯時，粘結劑的分解會導致精度降低、結構變形，嚴重時還可能出現坍塌，燒結時還存在一定的環境污染。為提高型殼的強度和致密度，常常對素坯進行浸滲處理，但浸滲過程受孔隙形貌、孔隙率、浸滲工藝等多種因素影響，很難精確控制[11]。

2 選擇性激光燒結法（SLS）

2.1 工藝原理和研究進展

選擇性激光燒結法（Selective laser sintering，SLS）利用激光提供的能量融化覆膜砂表面的粘結劑，將特定區域內的鑄造耐火材料粉末粘在一起，其工藝原理見圖3。用SLS法制備精鑄型殼時，以覆膜砂為成形材料，激光束根據型殼截面數據逐層掃描覆膜砂，覆膜砂表面的粘結劑受熱熔融并粘結，未被照射的覆膜砂仍呈松散狀態并起到支撐作用。SLS法的型殼制備速度快、工藝穩定性好、可使用材料廣泛，可以制備結構復雜的精鑄型殼。

圖3 SLS法原理Fig.3 Schematic diagram of SLS process

SLS法要選擇合適的材料體系制備精鑄型殼。Singamneni等[12]以硅砂為粉末材料、堿性酚醛樹脂為粘結劑，研究對比了SLS法和傳統精鑄工藝所制備的精鑄型殼性能及其鑄件質量，研究表明用SLS法制備的型殼及鋁鎂合金鑄件與傳統工藝差別不大，可以滿足一般鑄件的要求。趙開發等[13]為鈦合金精鑄設計了一種以熱塑性酚醛樹脂為粘結劑、鋯砂為型砂的材料體系，所制備的鋯砂型殼實例見圖4，型殼素坯成形后進行加熱處理，澆注前在型殼表面噴涂氧化釔涂層以避免型砂與熔融鈦的反應并改善表面質量。

圖4 SLS法制備的鋯砂型殼[13]Fig.4 Zircon sand casting shell prepared by SLS process

為提高鑄型強度并去除部分有機粘結劑，SLS法制備的型殼往往需要加熱處理。用SLS法制備的莫來石型殼素坯進行二次燒結后，莫來石相的含量、晶粒尺寸和晶粒平均長徑比均隨二次燒結溫度的升高而增大，型殼最高強度約為傳統工藝制備型殼的4倍[14]。通過研究加熱處理對SLS法制備型殼發氣的影響，表明加熱處理可以使粘結劑分解的部分氣體提前析出，減少澆注時型殼的發氣量，但過高的加熱溫度會導致粘結劑過度分解和碳化，降低型殼強度，另外，加熱時間也對型殼強度有一定的影響[15]。

2.2 影響因素和存在問題

成形材料方面。粘結劑用量少，激光燒結不完全，型殼致密度低；粘結劑用量多，激光燒結時收縮量大，型殼易變形甚至損壞。覆膜砂粉末越細，型殼表面質量越高，但是過細粉末的鋪粉比較松散，不利于得到致密的型殼[16]。

制備工藝方面。由于激光照射時間短，燒結粉末的冷卻速度很快，不同部分之間的內應力大，型殼容易出現裂紋。激光功率和掃描速度的匹配決定了燒結區域的激光燒結能量，輸入能量密度過低時燒結可能不完全，輸入能量密度過高時可能存在粉末燒壞和燒結不均勻等問題[17]，因此，用SLS法制備型殼時必須嚴格遵守工藝規程和預設參數。由于激光照射時部分粘結劑未能完全與粉末融結，型殼素坯一般需進行后續加熱處理以改善表面、穩定尺寸和提高性能。如果型殼與熔融金屬發生反應，可采用噴涂保護層或者在原始粉末中加入合金元素等方法。

3 光固化成形法（SLA）

3.1 工藝原理和研究進展

光固化成形法（Stereo lithography apparatus，SLA）利用紫外激光照射液態光敏樹脂和鑄造耐火材料的混合物[18]，光敏樹脂發生固化得到精鑄型殼素坯，通過脫脂和燒結工序后獲得精鑄型殼，其工藝原理見圖 5。SLA法有兩種光照射方式：SLA與MIP-SLA，二者的區別在于紫外光的掃描方式不同，MIP-SLA技術使用數字微鏡晶片（DMD）將型殼CAD模型處理成截面投影，將紫外激光線掃描方式變為面掃描方式，提高了成形效率。SLA法制造精度明顯高于3DP法和SLS法，但對型殼素坯的后續處理要求較高。

圖5 SLA法原理Fig.5 Schematic diagram of SLA process

混合漿料除了確定耐火材料和光敏樹脂的種類、比例、混合工藝外，還要研究其光固化工藝以保證漿料固化的均勻性和穩定性。王瑞昌等[19]在研究航空發動機空心渦輪葉片陶瓷型芯的MIP-SLA成形工藝過程中，考察了光敏樹脂類型、固相含量、粉末粒徑、分散劑含量和球磨時間對漿料性能的影響，分析了膜層厚度和曝光時間對成形質量的影響，評估了成形素坯的尺寸精度和表面質量。Wang等[20]采用MIP-SLA工藝制備了ZrO2增韌Al2O3（PSZ）陶瓷型殼（見圖6），研究了漿料流動性、光固化參數、素坯燒結工藝對型殼及鑄件質量的影響，優化了工藝參數。當混合漿料的粘度過高時，會難以涂覆并影響型殼的力學性能和表面粗糙度，加入稀釋劑或加熱光固化系統的方法可以改善混合漿料的粘度問題[21]，但加入稀釋劑會增加燒結收縮率，降低型殼的致密度，而加熱光固化系統會引起光敏樹脂的非掃描固化，因此還需進一步研究更有效的解決方案。

型殼素坯的燒結工藝對精鑄型殼的質量也非常關鍵。研究SLA法制備石英砂型殼發現，致密度和抗彎強度隨著燒結溫度的升高而增加，但β-α-方石英轉變過程中的收縮導致微裂紋的形成和抗彎強度的下降[22]。研究SLA法制備ZrO2-Al2O3復合陶瓷型殼發現，型殼材料的實際密度、硬度和斷裂韌性隨著燒結溫度的升高而增加，當溫度到達臨界點后，晶粒的異常長大使型殼的力學性能降低[23]。

圖6 SLA法制備的PSZ陶瓷型殼[20]Fig.6 PSZ ceramic shell prepared by SLA process

3.2 影響因素和存在問題

成形材料方面。SLA法對混合漿料的要求是高固相含量和低粘度，固相含量決定了鑄造型殼的致密度，粘度則決定了漿料的涂覆難易。影響混合漿料性能的因素較多：不同的光敏樹脂在固化后的脆性不一樣；固相含量會影響漿料流動性和型殼質量；采用粒徑較大的耐火材料粉末，漿料的粘度較低，但是粒徑太大又可能導致光敏樹脂固化不完全；合適的分散劑會保證耐火材料粉末在光敏樹脂中的分散性良好并避免發生團聚；合理的球磨工藝會使混合漿料成分更均勻、性能更穩定。

制備工藝方面。耐火材料粉末在漿料中會導致紫外光的折射率發生變化，影響光敏樹脂的固化深度，因此光固化成形過程中要確保漿料的穩定性和均勻性。型殼素坯的后續處理主要是脫脂和高溫燒結，燒結過程的收縮會導致型殼精度、尺寸和致密度發生變化，因此SLA工藝需要對燒結等后續處理工藝進行優化。

4 漿料擠出法

4.1 工藝原理和研究進展

圖7 漿料擠出法原理示意圖Fig.7 Schematic diagram of slurry extrusion process

漿料擠出法是利用耐火材料漿料擠出絲的分層堆積來構建型殼的各個截面，其工藝原理見圖7。漿料可以通過柱塞擠出或者螺旋擠出，逐層堆積形成素坯，經高溫燒結得到型殼或者型芯。耐火材料漿料一般具有剪切變稀特性，從擠出頭擠出時具有較好的流動性，擠出后粘度升高而能夠保持一定的形狀。可以使用具有交聯作用的粘結劑制備漿料，擠出絲在擠出后快速固化。當采用熱塑性材料為粘結劑時，可以直接采用熔融擠出沉積法（Fused deposition modeling，FDM）制備型殼素坯。漿料擠出法能靈活設計不同的擠出頭種類、數量和運動方式，復雜形狀的構造能力強，可使用的材料廣泛，能量消耗低、設備成本低。

漿料擠出法需要對耐火材料漿料及其流變性進行研究。Revelo等[24]用Malvern流變儀研究漿料的流變行為，通過改變擠出口直徑獲得不同的剪切速率，分析了剪切速率對漿料擠出絲的影響。Yang等[25]將CaCO3和SiO2粉末加入聚乙二醇和硅溶膠中制備漿料，測試了漿料的粘度-剪切速率曲線，通過擠出實驗確定了合理粘度范圍，控制氣壓活塞的運動速率，使漿料擠出時的粘度在此范圍內，制備的型芯具有較高的精度和彎曲強度以及良好的水中潰散性。

擠出工藝和燒結工藝對型殼或者型芯的精度、表面質量、致密度和力學性能的影響比較復雜，研究者多采用單因素試驗或正交試驗等方法優化制備工藝。唐世艷[26]研究了層高、擠出頭內徑與成形速度對Al2O3型殼精度的影響規律及機理，表明理想的截面形狀應為板狀截面，并根據擠出頭前端與已沉積漿料之間的距離推導出層高、擠出速度、成形速度、擠出頭內徑等工藝參數之間的關系式，所制備的Al2O3型殼及其澆注的鋁合金鑄件實例見圖8。Abdeljawad等[27]研究了型殼燒結行為及其微觀結構變化，如表面粗化、晶粒生長和微孔收縮等，所使用的介觀模型框架能夠解釋熱力學和界面性質以及質量傳輸機制，研究為從微觀結構上探索型殼燒結工藝提供了參考。

圖8 漿料擠出法制備的Al2O3 型殼及其澆注的鋁合金鑄件Fig.8 Al2O3 casting shell prepared by slurry extrusion process and its Al alloy casting

4.2 影響因素和存在問題

成形材料方面。漿料在擠出時應具有合適的粘度，保證擠出過程流暢，避免擠出絲不均勻和斷絲等問題。漿料應具有較高的固相含量以降低燒結收縮，但過高的固相含量會導致漿料粘度過高、所需擠出力過大、擠出困難等問題。除此之外，漿料混制和裝載時的氣泡、漿料擠出時的液相遷移、擠出絲堆積時的變形坍塌等問題在漿料擠出法制備型殼過程中也可能出現。

制備工藝方面。擠出停止時過度擠出（流涎現象）和擠出絲不均勻是擠出過程中的常見問題，前者是因為擠出口前端的漿料中存在殘余壓力，后者與擠出驅動方式及材料性質有關，這些問題導致漿料擠出法在制備復雜形狀型殼時難以實現對擠出絲的精確控制。在逐層堆積成形復雜形狀精鑄型殼時，一般需要設計和構建支撐結構以免坍塌變形，采用單擠出頭設備時，支撐的去除有可能影響型腔表面質量，采用雙擠出頭設備時，還需要開發合適的可去除支撐材料，如水溶性材料等。

5 展望和總結

精鑄型殼的增材制造技術具有制造柔性好、綜合成本低、個性化訂制等優點，在單件小批量精鑄件的快速生產時優勢明顯。目前精鑄型殼增材制造技術的發展仍然存在很大的挑戰，原材料成本高、制備過程復雜、設備不夠成熟等因素阻礙了其大規模應用。與傳統精鑄型殼相比，目前大部分增材制造技術制備的型殼力學性能和鑄造性能尚不夠理想，表面粗糙度、尺寸精度和形狀精確度也還不能滿足高質量鑄件的要求。幾種主要的精鑄型殼增材制造技術的發展方向為：3DP法需繼續研發新材料和優化后處理工藝；SLS法要繼續開發專用成形設備和優化工藝參數；SLA法要進一步優化高粘度漿料的涂覆和固化工藝；漿料擠出法需要研究新型漿料和開發精密成形設備等。精鑄型殼增材制造技術的未來發展方向是通過技術、工藝和設備的研發，使型殼具有更高的精度、更光潔的型腔表面、更好的力學性能和鑄造性能，以滿足快速化、個性化、多樣化的市場需求。