随着科技水平的提高，航空发动机技术取得了巨大的进步，极大地提高了飞机的性能。与此同时，对飞行器动力水平的要求越来越高，其中提高推重比是改善发动机性能最有效的方式，研究表明，每当涡轮前进口温度提高100℃时，发动机的推力就大约增加10%。推重比的提高是基于涡轮进口燃气温度的提高，也即“火力越足，推力越强”。但单纯依靠提高材料的承温能力和采用隔热措施已无法满足服役需求，因此，通过复杂气冷内腔结构改善涡轮叶片散热能力已成为先进发动机制造的关键，而陶瓷型芯是制造这种内腔结构的核心部件，内腔形状越复杂，冷却效果越优异。

航空发动机的内腔由于结构复杂对于加工是一项挑战，用熔模精密铸造进行加工时，普通加工方法由于存在很多无法完成的工序，于是各种类型的陶瓷型芯被发明并广泛运用。陶瓷型芯的性能直接影响到精铸件的合格率和产品的质量，在浇注单晶高温合金叶片时，陶瓷型芯与高温合金液发生复杂的交互作用，要求陶瓷型芯具有较好的化学稳定性及热稳定性，因此，不断改进陶瓷型芯的基体材料和制造工艺对于增强陶瓷型芯各项性能十分重要。

陶瓷型芯主要由耐火基体材料、矿化剂和添加剂组成，一般分为氧化硅基和氧化铝基两种，而氧化铝由于高温性能更好，在高端涡轮部件的制造中更有应用潜力。

氧化铝陶瓷型芯的优缺点

氧化硅基陶瓷型芯以石英玻璃粉为基体材料，添加莫来石、氧化铝、错英粉等为矿化剂以提高陶瓷型芯的性能。氧化硅陶瓷型芯具有热膨胀系数小、耐火性好、较高的室温和高温强度、易被碱液腐蚀等优点。

与氧化硅基陶瓷型芯相比，氧化铝基陶瓷型芯具有更好的高温化学稳定性、高温抗蠕变性，使用温度更高（最高温度可达1850℃），可保证内腔结构复杂的定向柱晶和单晶空心叶片的尺寸精度和合格率，并能降低叶片的制造成本，且铝基陶瓷型芯与型壳的热膨胀几乎相同，适合制造高级别的涡轮叶片。

发动机涡轮叶片

但氧化铝基陶瓷型芯存在以下几点问题：

（1）氧化铝的熔点极高（2054℃），较难进行烧结，需要添加氧化镁、氧化硅等物质促进烧结，在实际生产中对实现高精确度及良好烧结性能的技术要求较高；

（2）由于叶片浇注后需要将其中的陶瓷型芯脱除后才能投入使用，而氧化铝基陶瓷型芯的主要成分是刚玉，它在常温和常压下几乎不与浓酸浓碱反应，因此较难脱除，而且在脱芯过程中叶片表面会出现不同程度的腐蚀，从而降低了高效气冷叶片合格率。

对于以上问题，由于凝胶注模成型工艺可以成型尺寸精度要求较高的陶瓷型芯坯体，而且烧结后的试样强度较高、均匀性较好，可提高型芯产品的合格率，采用凝胶成型的陶瓷型芯也会降低其脱除过程的难度，所以开展氧化铝基陶瓷型芯凝胶成型技术也是目前的一项研究重点。

凝胶注模成型

氧化铝基陶瓷型芯制备方法

陶瓷型芯的成型方法主要有热压注成型法、凝胶注膜成型法、灌浆成型法及三维（3D）打印技术等，它们的工艺特点、脱芯方法，以及优缺点如下表所示。

陶瓷型芯的成型方法

影响氧化铝陶瓷型芯性能的因素

1. 粉料粒度

粉料粒度对陶瓷型芯的性能有很大影响，基体粉料比表面积的大小决定其迁移能力的高低，当粉料比表面积越小时，颗粒的表面结合力就越大，颗粒间相互吸引结合的能力越高，促进烧结致密化的进行。

由于叶片浇铸后需要将其中的陶瓷型芯脱除后才能投入使用，而陶瓷型芯的脱除效率与陶瓷型芯的气孔率有很大关系，通常气孔率高的型芯浇铸后比较容易脱除，而粒度分布对陶瓷型芯气孔率的影响是造成陶瓷型芯性能变化的主要原因，粒度粗细分布均匀的粉料型芯综合性能最佳。

2. 矿化剂

矿化剂由于与基体材料可能发生反应，生成固溶体、使晶格活化、或者是在烧结温度下形成液相并将基体材料粘接、或者能阻止基体材料发生多晶转化，能促进型芯的烧结，降低陶瓷型芯的烧结温度或缩短烧结时间。。

作为氧化铝陶瓷型芯用矿化剂，其作用一方面是降低型芯的烧成温度，另一方面保持型芯具有理想的高温性能。氧化铝陶瓷型芯常用的矿化剂有MgO、SiO₂、TiO₂及稀土氧化物。

3. 烧结工艺

在制成过程中，烧结制度的设定尤为关键，烧结参数设计是否合理决定陶瓷性能的好坏。

若烧结工艺不合理，缺陷率增大，导致陶瓷性能下降，甚至报废。凝胶注模成型陶瓷型芯在烧结过程中包含脱脂和烧结两个部分，烧结过程中任何一阶段都会对陶瓷型心性能产生重大影响，而工艺参数设定不合理造成缺陷率增加，且烧结温度的高低和保温时间的长短均对型芯的体积密度、气孔率、力学性能等方面有较大影啊，烧成温度越高，保温时间越长，可使陶瓷型芯的气孔率降低，体积密度升高，型芯的力学性能增加。

总结

高效气冷叶片的出现将使型芯的制造成为关键技术，与传统叶片相比较，冷却结构更为复杂、叶片壁厚更薄，这将使型芯的制造工艺更复杂，尺寸更小，对性能的要求更高。对于氧化铝基的型芯材料而言，保障其高性能的同时，其化学稳定性也带来了难以从零件中去除的问题，尤其是对于形状复杂、通道细小的型 芯更是如此，更有效且更简便的脱芯方法仍有待研究。

目前凝胶注模成型是一种解决方向，但由于这种原位成型工艺在坯体排出有机物后，其内部留下较多的孔洞，会使陶瓷的强度等综合性能有所而下降，如何平衡之间的性能，是行业需要关注的问题，持续探寻具有更大经济效益及高精密性、高性能的型芯制造工艺。

参考来源：

1. 氧化铝基陶瓷型芯材料制备及性能研究，梁启如（沈阳工业大学）；

2. 高温合金叶片铸造用氧化铝陶瓷型芯充型性能的研究，杨冬野（哈尔滨工业大学）；

3. 陶瓷型芯在航空发动机叶片生产中的应用与发展，熊建平、赵国庆、戴斌煜、商景利、王薇薇（南昌凯马有限公司；南昌航空大学材料科学与工程学院）。

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