1、引言

鈦合金因其強(qiáng)度高、密度低、熱導(dǎo)率低、耐高溫和優(yōu)異的耐腐蝕等性能，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代國(guó)防、航空航天、海洋船舶、化工設(shè)備等制造領(lǐng)域中，尤其是在航空航天工業(yè)領(lǐng)域，被譽(yù)為正在崛起的“第三金屬”、“智能金屬”，是重要的戰(zhàn)略金屬材料[1]。在現(xiàn)代工業(yè)和航空航天領(lǐng)域，對(duì)于高性能材料的需求日益增長(zhǎng)，特別是在制造閉式葉輪等關(guān)鍵部件時(shí)，對(duì)材料的輕質(zhì)、高強(qiáng)度、耐高溫和耐腐蝕性能提出了更高的要求。

選擇合適的耐火材料是生產(chǎn)適用于實(shí)際應(yīng)用的鈦合金閉式葉輪鑄件的關(guān)鍵前提。由于熔融鈦合金的高化學(xué)活性，它幾乎可以與所有耐火材料發(fā)生反應(yīng)[2-3]。因此，在鈦合金熔煉和鑄造中選擇合適的陶瓷材料至關(guān)重要[4-6]。常用氧化物耐火材料與鈦合金之間反應(yīng)的熱力學(xué)穩(wěn)定性從高到低依次為:Y₂O₃、CaO、ZrO₂、Al₂O₃、MgO和SiO₂[7]。MgO在真空條件下1600℃時(shí)與鈦液劇烈反應(yīng)，容易揮發(fā)，導(dǎo)致澆注的鑄件中形成大量氣孔[8-9]。含有硅元素的材料，如莫來(lái)石(3Al₂O₃·2SiO₂)[10]和鋯石(ZrSiO₄)[11]，與鈦合金熔體發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng)，因此不適用[12]。對(duì)ZrO₂陶瓷型殼與傳統(tǒng)鑄造鈦合金之間的高溫界面反應(yīng)的研究表明，部件表面存在一個(gè)220μm厚的界面反應(yīng)層，由復(fù)合氧化物組成[13]。而以氧化鈣(CaO)為主體材料的陶瓷型殼，雖然可以得到性能優(yōu)良的鈦合金鑄件，但CaO具有吸濕性，在空氣中極易與水反應(yīng)，這給型殼材質(zhì)的儲(chǔ)存與制備帶來(lái)了不便[14]。因此，氧化釔(Y₂O₃)是鈦合金鑄造用的最佳的理想材料。

氧化釔熔點(diǎn)約為2430℃，熱力學(xué)穩(wěn)定性較高，熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果顯示其幾乎不與任何金屬元素發(fā)生反應(yīng)，是近些年來(lái)非常熱門的型殼耐火材料[15]。然而，氧化釔作為一種耐火材料，在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在著挑戰(zhàn)。由于氧化釔易發(fā)生水化反應(yīng)，用水基高溫鑄造粘結(jié)劑制備的

氧化釔漿料，其穩(wěn)定性就較差，使用壽命也較短，工藝成本相應(yīng)也大幅上升，這增加了氧化釔作為耐火材料的實(shí)際應(yīng)用的復(fù)雜性[16]。

凝膠注模技術(shù)最初于20世紀(jì)90年代在美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)開(kāi)發(fā)，是一種近凈成形的陶瓷坯體制造方法。該方法最初使用有機(jī)介質(zhì)，后來(lái)轉(zhuǎn)向水基介質(zhì)。該過(guò)程涉及將陶瓷材料澆注到非多孔模具中，然后通過(guò)凝膠成型形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。西安交通大學(xué)李滌塵團(tuán)隊(duì)將現(xiàn)有成熟的光固化成型技術(shù)與凝膠注模技術(shù)結(jié)合，得到了一種陶瓷鑄型的快速制備工藝17]，提高了殼、芯制造效率，成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)能力強(qiáng)。多年來(lái)，凝膠注模因其易于實(shí)施、均勻的密度分布和生產(chǎn)復(fù)雜形狀的能力而引起了越來(lái)越多的興趣[18-19]。值得注意的是，使用凝膠鑄造進(jìn)行氧化鋁和氧化鋯基陶瓷殼的制備已經(jīng)引起了的大量關(guān)注[20-21]。

為了解決上述挑戰(zhàn)，本研究采用凝膠注模方法制備了專門適用于鈦合金閉式葉輪鑄造的氧化釔陶瓷型殼。這種創(chuàng)新方法最小化了對(duì)特定模型的需求，從而能夠靈活生產(chǎn)各種復(fù)雜形狀的氧化釔耐火產(chǎn)品，是材料制備技術(shù)的重大進(jìn)步。在本研究中，利用氧化釔的熱力學(xué)穩(wěn)定性，通過(guò)精心設(shè)計(jì)的陶瓷漿料制備工藝，成功獲得了高固相、低粘度的氧化釔水基懸浮液，為制備一體化氧化釔陶瓷鑄型提供了基礎(chǔ)。探討了氧化釔漿料的流變性能、機(jī)械性能、燒結(jié)工藝及真空浸漬工藝，分析了其對(duì)氧化釔陶瓷鑄型的影響，為鈦合金閉式葉輪鑄造奠定了堅(jiān)實(shí)的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

2、實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)材料

陶瓷漿料包含有基體材料、礦化劑、溶劑、有機(jī)單體、交聯(lián)劑以及其他添加物等，其組成比例不僅影響著陶瓷漿料的成形工藝性，而且影響陶瓷坯體燒成工藝性、陶瓷鑄型室溫抗彎強(qiáng)度和高溫性能。合金原材料為鑄造鈦合金ZTC4，化學(xué)成分滿足GB/T15073-2014要求[22]。本研究所使用的實(shí)驗(yàn)材料如表1所示。

基于Funk-Dinger方程和分形理論對(duì)陶瓷顆粒進(jìn)行級(jí)配，在氧化釔基體材料中選用了4種粒徑不同的氧化釔粉末,4種粉末中粒徑(D50)分別為100、50、18、5μm,其比例為10:30:40:20，陶瓷粉末形貌如圖1a，1b所示。為提高鑄型的脫脂強(qiáng)度，添加1.5wt%的碳纖維。碳纖維選用南京緯達(dá)復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)的AW級(jí)HTS40-12k碳纖維，纖維單絲直徑為7μm,400℃/2h燒失量為4.7%，長(zhǎng)度為0.37mm，其形貌如圖1c，1d所示。

表1實(shí)驗(yàn)材料

Experimental material	Application	Purity	Manufacturer
Y2O3 powder	Matrix material	Industrial grade	Gongyi Zhengyu New Materials Co., Ltd
Carbon fiber	Additive	Industrial grade	Nanjing Weida Composite Materials Co., Ltd
(C3H3NaO2)n,PAAS	Dispersant	Analytical grade	Xi'an Chang'an Chemical Reagent Factory
(CH3)2NCH2CH2N(CH3)2,TMEDA	Catalyst	Analytical grade	National Group Chemical Reagent Co., Ltd
(NH4)2S2O8,APS	Initiator	Analytical grade	National Group Chemical Reagent Co., Ltd
CH3CONH2,AM	Organic monomer	Analytical grade	Tianjin Comio Chemical Reagent Development Center
C7H10N2O2,MBAM	Crosslinking agent	Analytical grade	Tianjin Comio Chemical Reagent Development Center
C6H5O7(NH4)3	Dispersant	Analytical grade	Tianjin Huasheng Chemical Reagent Co., Ltd
ZTC4	Melting and casting		Beijing Institute of Aeronautical Materials

2.2實(shí)驗(yàn)方法

針對(duì)傳統(tǒng)熔模鑄造技術(shù)在閉式葉輪制造過(guò)程中存在研發(fā)周期長(zhǎng)、成本高、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的工藝適配性差等問(wèn)題，本研究提出了基于光固化3D打印的型殼/型芯一體化閉式葉輪快速制造技術(shù)。該技術(shù)以光固化3D打印閉式葉輪原型為基礎(chǔ)，通過(guò)真空澆注陶瓷凝膠漿料的方式，實(shí)現(xiàn)鑄型三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的一體化成型。本試驗(yàn)采用的閉式葉輪結(jié)構(gòu)如圖2所示，該閉式葉輪采用葉片與輪蓋整體式設(shè)計(jì)，葉輪直徑為∅100mm，高度25mm，內(nèi)部流道封閉狹窄，上下輪蓋最小間隙僅4mm。采用SLA660光固化3D打印機(jī)進(jìn)行打印，打印層厚為0.1mm，打印速度為6000mm/s，激光功率設(shè)置為450mW。

本試驗(yàn)基于氧化釔凝膠注模成形的鈦合金閉式葉輪精密鑄造工藝方法的主要流程如圖3所示:

(1)利用立體光刻技術(shù)(stereolithography,SL)制備含有鈦合金閉式葉輪原型的樹(shù)脂模具;

(2)利用凝膠注模成型工藝，一次性完成內(nèi)外結(jié)構(gòu)一體化陶瓷型殼成型，依靠預(yù)先配置好的陶瓷漿料本身良好的流動(dòng)性，填充鈦合金葉輪樹(shù)脂原型;

(3)通過(guò)干燥、焙燒等工藝過(guò)程，燒失樹(shù)脂原型，并使陶瓷燒結(jié)成為陶瓷鑄型；

(4)設(shè)計(jì)重力鑄造+頂注式澆注系統(tǒng)，一爐澆注兩件，采用10kg真空自耗凝殼熔煉爐開(kāi)展ZTC4鈦合金熔煉澆注試驗(yàn)，清理陶瓷鑄型后形成鈦合金葉輪。

這一方法無(wú)需制造模具，實(shí)現(xiàn)鑄型內(nèi)外結(jié)構(gòu)一體化成型，克服了傳統(tǒng)熔模鑄造技術(shù)中型芯與型殼裝配所造成的型芯漂移等難題，為鈦合金閉式葉輪直接鑄造提供了整體鑄型新方法。

2.3陶瓷漿料制備

高固相、低粘度的陶瓷漿料是一體化陶瓷鑄型凝膠注模成型工藝的基礎(chǔ)，低粘度的陶瓷漿料具有良好的流

動(dòng)性，便于填充復(fù)雜的SL樹(shù)脂原型型腔，獲得高固相陶瓷漿料的目的是盡可能減小陶瓷坯體干燥收縮率和燒成收縮率。陶瓷漿料制備工藝流程如圖4所示。

首先將有機(jī)單體(AM)和交聯(lián)劑(MBAM)按照質(zhì)量比24:1溶解到去離子水中，配制濃度為20wt%的預(yù)混液，添加適量的分散劑(以陶瓷粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì))和PEG6000(以AM和MBAM加入量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)),用檸檬酸銨調(diào)節(jié)pH值，然后將配制好的預(yù)混液倒入球磨罐中，加入事先確定好比例的4種不同粒徑的氧化釔陶瓷粉末，按照料球質(zhì)量比2:1加入剛玉磨球，球磨40min后，過(guò)濾掉磨球，獲得適用于凝膠注模用的氧化釔陶瓷漿料。

得到氧化釔漿料后，將其在真空注型機(jī)中除氣10min，除去漿料中的氣泡。隨后，添加催化劑和引發(fā)劑，攪拌均勻后，將漿料緩慢倒入樹(shù)脂模具中，澆注完成后，使其在40℃烘箱中，保溫6h，隨后進(jìn)行冷凍干燥。干燥完成后,將陶瓷鑄型在1200∘C下進(jìn)行脫脂,除去其中的樹(shù)脂和有機(jī)單體，最后轉(zhuǎn)移到納博熱燒結(jié)爐中，在1600℃下燒結(jié)6h,得到陶瓷鑄型。

2.4測(cè)試與表征

采用NDJ-8S旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)量陶瓷漿料的粘度。采用HSST-6003QP高溫應(yīng)力應(yīng)變?cè)囼?yàn)機(jī)測(cè)試強(qiáng)度,試樣尺寸為50mm10mm4mm,以6根試樣為一組,取其平均值。以8∘C/min的升溫速率升至1200∘C,之后以5∘C/min的升溫速率升至1500℃,保溫10min,利用三點(diǎn)抗彎法,測(cè)其高溫強(qiáng)度。澆注后在鑄件澆口附近取樣,按照GB/T5168-2020[23]進(jìn)行金相制樣及腐蝕,采用DM8000M光學(xué)顯微鏡觀察閉式葉輪鑄造組織,采用金相法對(duì)試樣進(jìn)行沾污層檢測(cè)。

3、結(jié)果與分析

3.1氧化釔陶瓷漿料流變性能研究

3.1.1不同pH值對(duì)漿料流變性能的影響

圖5展示了不同pH值下氧化釔陶瓷漿料的粘度(剪切速率60s-1),揭示了pH對(duì)氧化釔陶瓷漿料流變行為的顯著調(diào)控規(guī)律。氧化釔在水中[24]具有高溶解度,與水快速反應(yīng),從而在粉末表面形成水化層。描述氧化釔在水溶液中的電離方程[25]為:

從上述電離方程可以看出，氧化釔粉經(jīng)過(guò)分解，產(chǎn)生大量的三價(jià)釔離子和相關(guān)的羥基化合物,包括Y³⁺、Y(OH)₂⁺和Y2(OH)₄²⁺。根據(jù)DLVO理論,當(dāng)二價(jià)和三價(jià)金屬離子配合物出現(xiàn)在懸浮液中時(shí),雙電層的壓縮比一價(jià)離子的壓縮更明顯,導(dǎo)致懸浮液[26]的絮凝。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,當(dāng)pH從4.0升至11.0時(shí),漿料粘度呈現(xiàn)先降低后升高的非線性變化趨勢(shì),最低粘度(394mPa·s)出現(xiàn)在pH=10附近,而極端酸性(pH=4.0)和強(qiáng)堿性(pH=11.0)條件下的粘度分別高達(dá)1230和1146mPa·s。這一現(xiàn)象與漿料中顆粒分散狀態(tài)、表面電荷特性及液相離子環(huán)境的協(xié)同作用密切相關(guān),具體可歸納為以下機(jī)制:

當(dāng)pH在4.0~9.0時(shí),漿料粘度隨pH升高而逐漸降低,但仍處于較高水平。根據(jù)膠體穩(wěn)定性理論推測(cè),此階段氧化釔顆粒表面質(zhì)子化反應(yīng)占優(yōu)(Y(OH)2+形成),導(dǎo)致Zeta電位絕對(duì)值較低(可能接近等電點(diǎn))。顆粒間靜電排斥力不足,范德華吸引力占主導(dǎo),引發(fā)嚴(yán)重團(tuán)聚。團(tuán)聚體的形成不僅增加漿料流動(dòng)阻力,還因顆粒-液體界面摩擦產(chǎn)生內(nèi)耗,共同導(dǎo)致粘度居高不下。此外,酸性環(huán)境可能抑制檸檬酸銨的電離,降低其吸附于顆粒表面的效率,進(jìn)一步加劇團(tuán)聚效應(yīng)。當(dāng)pH升至9.0~10.5時(shí),漿料粘度降至最低平臺(tái)區(qū)(η=394~500mPa·s)，表明顆粒達(dá)到最佳分散狀態(tài)。此時(shí)，氧化釔顆粒表面羥基(-OH)的去質(zhì)子化反應(yīng)增強(qiáng)(Y-O-生成)，Zeta電位絕對(duì)值顯著升高，形成厚度較大的雙電層。強(qiáng)烈的靜電排斥作用有效抵消范德華力，抑制顆粒團(tuán)聚，使?jié){料呈現(xiàn)均勻的膠體分散體系。同時(shí)，分散劑分子在此pH范圍內(nèi)電離度提高(檸檬酸銨的羧酸根充分解離)，通過(guò)化學(xué)吸附在顆粒表面形成空間位阻層，進(jìn)一步增強(qiáng)分散穩(wěn)定性。當(dāng)pH超過(guò)10.5后，粘度出現(xiàn)反常升高(pH=11時(shí)，η=1146mPa·s)。這一現(xiàn)象可能與堿性環(huán)境中液相離子強(qiáng)度的急劇增加有關(guān)，即高濃度OH離子會(huì)壓縮雙電層厚度(Debye長(zhǎng)度縮短),從而削弱靜電排斥力(DLVO理論)。此外，強(qiáng)堿性條件可能促使分散劑分子過(guò)度水解，破壞其吸附構(gòu)象，降低空間位阻效果。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)漿料的pH從4.0升至10.0時(shí)，漿料粘度顯著降低，但當(dāng)pH進(jìn)一步升至11時(shí)，粘度再次開(kāi)始上升。由此可見(jiàn)，當(dāng)漿料的pH為10.0時(shí)，在60s-1剪切速率下，漿料的粘度為394mPa·s，具備凝膠注模澆注條件。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在配制漿料過(guò)程中，采用氨水調(diào)節(jié)漿料pH值至10.0，獲得低粘度陶瓷漿料。

3.1.2檸檬酸銨含量對(duì)漿料流變性的影響

檸檬酸銨(ammoniumcitrate,AC)作為分散劑，其濃度對(duì)氧化釔漿料的流變行為表現(xiàn)出非線性調(diào)控特征。如圖6所示，漿料粘度(剪切速率60s-)隨AC含量增加呈現(xiàn)先降后升的非單調(diào)變化趨勢(shì):當(dāng)AC含量從0wt%增至1.5wt%時(shí)，粘度從初始3025mPa·s顯著降至最低值392mPa·s;繼續(xù)增加至2wt%時(shí)，粘度回升至1025mPa·s。這一現(xiàn)象揭示了分散劑濃度與顆粒分散狀態(tài)的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，具體機(jī)理如下所述。

當(dāng)AC含量低于0.5wt%時(shí)，漿料粘度隨AC增加緩慢下降(3025mPa·s→2412mPa·s)，但仍處于較高水平。此階段分散劑分子不足以完全覆蓋氧化釔顆粒表面，顆粒間范德華吸引力占優(yōu)，形成松散團(tuán)聚體。未吸附的AC分子游離于液相中，對(duì)離子強(qiáng)度貢獻(xiàn)有限，Zeta電位絕對(duì)值較低，靜電排斥力較弱。高粘度源于兩方面:(1)團(tuán)聚體增大有效固相體積分?jǐn)?shù)，增加流動(dòng)阻力;(2)顆粒間摩擦與碰撞能量耗散加劇。此階段漿料呈現(xiàn)明顯剪切增稠傾向，不利于復(fù)雜結(jié)構(gòu)填充。

當(dāng)AC含量增至0.5wt%~1.5wt%時(shí)，漿料粘度急劇下降至最低區(qū)間(392~543mPa·s)。此時(shí)，AC分子通過(guò)羧酸根基團(tuán)(-COO)化學(xué)吸附于顆粒表面，形成單層致密包，未被吸附的AC分子通過(guò)氫鍵與吸附層結(jié)合，構(gòu)建空間位阻層。該層可有效阻隔顆粒靠近至范德華力作用范圍，抑制團(tuán)聚。同時(shí)，吸附層攜帶的負(fù)電荷使Zeta電位升高，靜電排斥與空間位阻協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)漿料高度分散。低粘度狀態(tài)下，漿料呈現(xiàn)剪切稀化特性，兼具良好流動(dòng)性與適度的結(jié)構(gòu)恢復(fù)能力。

當(dāng)AC含量超過(guò)2wt%后，粘度反常升高(1.5wt%:392mPa·s→2wt%:1025mPa·s)。這一反常現(xiàn)象可能與過(guò)量分散劑引起的“橋聯(lián)絮凝”效應(yīng)有關(guān):過(guò)高的檸檬酸銨濃度導(dǎo)致溶液中游離分子增多，未吸附的分散劑通過(guò)氫鍵或分子鏈纏繞將相鄰顆粒連接，形成弱團(tuán)聚網(wǎng)絡(luò)。此外，粘度回升還可能源于漿料液相粘度的增加，因?yàn)楦邼舛葯幟仕徜@會(huì)顯著提高溶液離子強(qiáng)度，從而降低雙電層厚度。

基于上述規(guī)律，建議將AC含量控制在1.5wt%，以實(shí)現(xiàn)分散效果與成本效益的平衡。此外，檸檬酸銨的分散效率與pH值存在顯著協(xié)同效應(yīng)。在pH=10.0的堿性環(huán)境中，檸檬酸銨的臨界分散濃度(1.5wt%)低于酸性條件(pH=5.0時(shí)需1.8wt%)。這是由于堿性條件下檸檬酸銨分子電離度提高，更多的-COO基團(tuán)暴露，增強(qiáng)了與顆粒表面的結(jié)合能力，從而在較低濃度下即可實(shí)現(xiàn)完全覆蓋。因此，在漿料制備過(guò)程中，添加1.5wt%檸檬酸銨，降低漿料粘度，提高漿料穩(wěn)定性。

3.2機(jī)械性能

3.2.1不同固相含量對(duì)鑄型強(qiáng)度的影響

實(shí)驗(yàn)通過(guò)調(diào)控氧化釔漿料的固相含量(50vol%70vol%),研究了其對(duì)陶瓷鑄型強(qiáng)度的作用規(guī)律。結(jié)果表明，固相含量從50vol%提升至62vol%時(shí)，坯體三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度由(8.1±1.0)MPa顯著提高至(18.9±0.9)MPa(圖7)，同時(shí)，陶瓷漿料的粘度為474mPa·s，滿足澆注要求。此階段遵循Furnas密堆積理論:隨著固相含量增加，顆粒間接觸點(diǎn)密度上升，交聯(lián)劑(MBAM)形成的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)更有效地傳遞應(yīng)力，孔隙率從11.2%降至3.5%。然而，當(dāng)固相含量超過(guò)65vol%后，強(qiáng)度反而下降至(15.6±1.2)MPa(70vol%)。這是由于高固相漿料粘度激增(>1200mPa·s)導(dǎo)致注模過(guò)程中氣泡無(wú)法有效排除，形成一些孤立氣孔，成為應(yīng)力集中源。因此，選擇固相含量為62vol%，以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度與成形性的最優(yōu)平衡。

3.2.2不同浸漬液對(duì)鑄型強(qiáng)度的影響

為提升坯體強(qiáng)度，對(duì)比了3種浸漬液(20wt%硅溶膠、15wt%納米釔溶膠、20wt%納米氧化釔分散液)的增強(qiáng)效果。經(jīng)兩次浸漬-干燥循環(huán)后，納米氧化釔分散液(nano-Y₂O₃)處理后的陶瓷坯體的抗彎強(qiáng)度達(dá)(25.4±0.9)MPa,顯著高于硅溶膠(17.5±0.7MPa)和釔溶膠(20.4±1.0MPa)。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，硅溶膠生成的SiO₂凝膠雖能填充宏觀孔洞，但其熱膨脹系數(shù)(4.510^{-6}℃^{-1})與氧化釔基體(8x10-6℃-1)差異較大，導(dǎo)致燒結(jié)冷卻過(guò)程中界面產(chǎn)生拉應(yīng)力，形成微裂紋，引發(fā)強(qiáng)度衰減。而納米釔溶膠中的Y3+通過(guò)液相滲透在晶界處生成Y(OH)3過(guò)渡層，高溫下轉(zhuǎn)化為Y₂O₃，但局部濃度波動(dòng)導(dǎo)致YAlO₃雜相，弱化晶界結(jié)合。相比之下，納米Y₂O₃分散液通過(guò)毛細(xì)管力滲透至亞微米級(jí)孔隙，燒結(jié)時(shí)與基體發(fā)生表面擴(kuò)散(活化能≈280kJ/mol)，形成“納米釘扎”結(jié)構(gòu)，抑制晶界遷移。因此，采用20wt%納米氧化釔分散液浸漬2次，使坯體強(qiáng)度提升約150%，同時(shí)保持化學(xué)穩(wěn)定性。

3.3鈦合金閉式葉輪的制備與驗(yàn)證

采用UGNX軟件對(duì)鈦合金閉式葉輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化建模，設(shè)計(jì)完成后，導(dǎo)出STEP格式用于光固化3D打印。根據(jù)前文3.1、3.2研究，確定氧化釔陶瓷漿料pH為10.0，檸檬酸銨含量為1.5wt%，漿料具有良好的流動(dòng)性(粘度為394mPa·s)，同時(shí)確定漿料的固相含量為62vol%，經(jīng)過(guò)真空浸漬后，陶瓷鑄型強(qiáng)度為25.4MPa左右，滿足鈦合金澆注要求。

對(duì)鑄型表面形貌進(jìn)行分析，圖9a為鑄型凍干后的微觀形貌，，從圖中可以看到斷面發(fā)現(xiàn)碳纖維的存在，而且纖維鑲嵌在陶瓷顆粒間，碳纖維在斷面兩端形成搭接橋梁，能夠起到提高陶瓷鑄型抗彎強(qiáng)度的目的。圖9b為陶瓷鑄型脫脂后的微觀形貌，可以發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)過(guò)1200℃脫脂后，有機(jī)單體AM、碳纖維等物質(zhì)燒失，導(dǎo)致其孔隙增大;同時(shí)，在1200℃時(shí)，氧化釔粉末并未產(chǎn)生燒結(jié)，因此其脫脂強(qiáng)度較低。再經(jīng)過(guò)1600℃預(yù)燒結(jié)后，氧化釔粉末進(jìn)一步燒結(jié)，由于其孔隙較大，如圖9c所示，鑄型表面并未致密化，導(dǎo)致陶瓷鑄型強(qiáng)度不高，需要再進(jìn)行真空浸漬。圖9d為陶瓷鑄型終燒的微觀形貌，經(jīng)過(guò)20wt%納米氧化釔分散液兩次真空浸漬后，可以看出陶瓷鑄型表面有納米氧化釔顆粒，同時(shí)，鑄型表面孔隙變小，使其強(qiáng)度有明顯增加。

采用上述配方澆注鈦合金閉式葉輪陶瓷鑄型，得到如圖10a所示的陶瓷鑄型，CT檢測(cè)圖10b顯示，葉輪內(nèi)部無(wú)裂紋，且成形較好，滿足鈦合金澆注要求。將燒結(jié)完成后的閉式葉輪陶瓷鑄型進(jìn)行鈦合金澆注驗(yàn)證;采用石墨型制備如圖10c所示的澆杯和澆道;采用真空自耗凝殼熔煉爐，通過(guò)重力鑄造+頂注工藝，實(shí)現(xiàn)了直徑Φ100mm典型復(fù)雜內(nèi)腔鈦合金閉式葉輪完整成形，如圖10d所示。澆注結(jié)果表明試驗(yàn)陶瓷鑄型的強(qiáng)度可滿足澆注要求;此外，本試驗(yàn)采用水清殼工藝輕松實(shí)現(xiàn)閉式葉輪內(nèi)外部鑄型完全清除，說(shuō)明鑄型潰散性較好;同時(shí)葉輪內(nèi)腔未發(fā)現(xiàn)化學(xué)粘砂，說(shuō)明型殼材料惰性較好。

同時(shí)對(duì)鑄件澆口部位進(jìn)行取樣和金相制樣，經(jīng)分析可知，本試驗(yàn)鈦合金閉式葉輪鑄件宏觀組織為等軸晶組織，微觀組織為集束狀片狀α相+片間β相+晶界α相，鑄件表層存在連續(xù)的α層，厚度為0.4~0.7mm，與常規(guī)熔模鑄造ZTC4鈦合金鑄件的組織特征和a層厚度基本一致[27-28]。

綜上，通過(guò)ZTC4鈦合金閉式葉輪的制備，驗(yàn)證了凝膠注模一體化成型工藝的工程可行性。

4、結(jié)論

1)選擇熱力學(xué)穩(wěn)定的氧化釔(Y₂O₃)作為鈦合金鑄造型殼基體，通過(guò)多級(jí)顆粒級(jí)配(100、50、18、5μm)與檸檬酸銨分散劑協(xié)同作用，制備出固相含量62vol%、粘度394mPa·s的高固相低粘度漿料，突破傳統(tǒng)Y₂O₃水化敏感性限制。

2)確定pH=10.0、檸檬酸銨1.5wt%為最佳流變調(diào)控窗口,實(shí)現(xiàn)顆粒靜電-空間位阻雙穩(wěn)定機(jī)制;結(jié)合62vol%固相含量與納米氧化釔分散液真空浸漬，鑄型強(qiáng)度提升至25.4MPa，滿足鈦合金澆鑄要求。

3)采用真空重力鑄造工藝實(shí)現(xiàn)鈦合金閉式葉輪完整成形，且陶瓷鑄型實(shí)現(xiàn)完全清理，表面未發(fā)現(xiàn)化學(xué)粘砂，鑄件組織特征和α層厚度與常規(guī)熔模鑄造ZTC4鈦合金鑄件基本一致，驗(yàn)證了凝膠注模一體化成型工藝的工程可行性。

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（注，原文標(biāo)題：基于光固化3D打印成形的鈦合金閉式葉輪精密鑄造）

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tag標(biāo)簽:鈦合金,ZTC4鈦合金,閉式葉輪鑄造

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