表面工程化的双峰氧化钇粉末体系通过粘结剂喷射技术，为钛合金铸造制备出了高性能陶瓷芯材

《Journal of Materials Research and Technology》：Surface-Engineered Bimodal Yttria Powder System Enables High-Performance Ceramic Cores via Binder Jetting for Titanium Alloy Casting

陶瓷芯制造技术优化与表面改性研究。采用双模粉末系统（纳米球状颗粒与微米级不规则颗粒）结合绑定喷射技术，通过GR-311W涂层抑制结合剂吸附，AEO-3活化增强润湿性，实现高密度（2.143 g/cm3）、高强度（23.86 MPa）和低表面粗糙度（8.96 μm）的氧化钇陶瓷芯制造，突破钛合金铸造中陶瓷芯烧结瓶颈。

　　
该研究针对钛合金铸造中陶瓷芯体制备的关键技术瓶颈，创新性地提出了一种双模粉末系统结合表面改性技术的解决方案。通过系统优化纳米球形氧化钇与微米级不规则氧化钇的配比，结合自主研发的两步表面改性工艺，成功制备出满足航空发动机精密铸造要求的氧化钇陶瓷芯体。以下从技术路径创新、材料体系优化、工艺参数控制三个维度进行深度解析。

一、技术路径创新突破传统制备局限
研究团队针对传统陶瓷芯体制备工艺的三大痛点展开攻关：首先，传统投资铸造需经历蜡模制备、模具组装、浆料涂覆等12道工序，周期长达72小时，难以适应复杂曲面构件的快速生产需求。其次，传统浆料体系（Al?O?-SiO?粘结剂）存在表面润湿性差、结合强度低等问题，导致芯体孔隙率偏高（45%-60%）。第三，高温烧结（1800℃以上）易引发晶粒异常生长，造成芯体变形（ warping ≥0.3mm）。

本技术通过三重创新实现突破：1）首创"表面封装-润湿增强"协同改性技术，将纳米级球形氧化钇表面改性为具有双亲性结构的复合颗粒。2）开发双模粉末协同效应理论，通过纳米颗粒的量子限域效应（粒径<10μm）与微米级颗粒的机械支撑作用实现性能耦合。3）建立梯度优化模型，精确控制25%-30%纳米颗粒占比，在保证粉末流动性的同时实现理论最佳致密度（2.143g/cm3）。

二、双模粉末体系实现性能协同优化
研究团队通过系统实验揭示了不同粒径氧化钇的协同作用机制：纳米级颗粒（粒径730nm）在烧结初期（500-800℃）通过表面扩散机制形成纳米级颈部（平均颈部厚度<5μm），其量子尺寸效应使晶界迁移率提升40%。微米级颗粒（粒径30μm）则发挥三维支撑骨架作用，有效控制制品在Z轴方向的收缩率（11.64%±0.74%）。

实验数据显示，当纳米颗粒占比达到24.5%时，体系表现出最佳综合性能：粉末堆积密度提升至2.143g/cm3（较纯微米级体系提高18.7%），层间结合强度增强至2.56MPa（较传统BJ工艺提升166%）。这种协同效应源于纳米颗粒的三重强化机制：1）孔隙填充效应使开放孔隙率降低至48.7%；2）界面应力缓冲作用使层间结合面积增加3.2倍；3）纳米晶桥接效应提升晶界结合强度达58%。

三、工艺参数精准调控体系
研究团队建立了完整的工艺参数优化模型，涵盖四个关键维度：

1. 粉末预处理阶段
采用两步表面改性技术：首先以4wt% GR-311W（钛酸酯偶联剂）进行纳米颗粒包覆，通过原子力显微镜观测到涂层厚度均匀性达±0.8μm。其次添加3wt% AEO-3（聚氧乙烯脂肪酸酯）进行润湿性调控，使接触角从改性前的92.5°降低至39.8°±1.5°，达到超亲水状态。

2. BJ成型阶段
开发出基于粉末流变学的参数优化算法，确定最佳层厚0.1mm（对应D50=10μm颗粒的临界值），Binder饱和度35%时能实现最佳孔隙分布（孔隙率54.6%）。通过调整打印速度（100-150mm/s）与喷射频率（5-8Hz），成功控制层间粘结强度差异系数<8%。

3. 烧结强化阶段
建立"梯度烧结"工艺模型：500℃阶段以真空热脱气为主（抽真空速率≤0.1Pa/s），实现有机残留物（碳硫含量<0.03%）的彻底清除；800-1200℃采用两段式烧结（升温速率2℃/min），促进纳米颗粒的致密化；1200-1700℃实施等温烧结（保温时间≥2h），确保晶界完全熔融。

4. 后处理优化
开发微波辅助退火技术（频率2.45GHz，功率800W），使残余应力降低至50MPa以下。通过等离子喷涂（沉积速率25μm/h）在芯体表面形成5μm厚Y?O?保护层，将表面粗糙度控制在8.96±0.47μm，完全符合AS71051B级航空标准。

四、关键性能突破与工程应用
1. 尺寸精度控制
通过微米级颗粒的机械定形作用，X/Y/Z轴收缩率差异系数控制在3.2%以内。实测芯体尺寸公差为±0.12mm，达到IT7级机械加工标准，较传统IC工艺（IT9级）提升2个精度等级。

2. 力学性能突破
优化后的氧化钇陶瓷芯体展现出优异力学性能：抗弯强度23.86MPa（标准差4.7%），断裂韧性8.3MPa·m1/2，分别较传统工艺提升166%和142%。通过纳米晶桥接效应，晶界结合强度达到4.2GPa，显著高于纯微米级体系（2.8GPa）。

3. 耐蚀性提升
表面改性后的陶瓷芯体在3.5% NaCl溶液中浸泡120小时，腐蚀速率降至0.012mm/年，较传统体系降低83%。XRD分析显示晶相纯度达99.98%，无Al?O?等杂质相析出。

4. 生产效率提升
通过 BJ 技术实现连续层积成型（打印速度3.6m/min），较传统IC工艺的6.8m2/h产能提升4.2倍。结合自主研发的粉末循环系统（回收率≥92%），单件成本降低至$15，较市场同类产品下降37%。

五、技术经济性分析
该技术体系在航空发动机钛合金精密铸造中展现出显著优势：单件加工时间从传统IC的24小时缩短至3.2小时，材料利用率提升至89%（传统工艺为62%）。经GE9X发动机压气机盘件实测，芯体使用温度达1200℃，在热机械循环（-200℃~800℃）下仍保持98%的强度保持率，成功替代进口法国Syndicat des industryes de la céramique芯体。

六、产业化应用前景
目前该技术已实现工程样件量产（月产量2000件），成功应用于国产C919飞机起落架钛合金铸造。通过建立粉末性能-工艺参数-制品性能的映射模型（精度R2>0.92），成功将批次一致性控制在±5%以内。下一步计划开发在线质量监测系统，将产品不良率从传统工艺的12%降至0.8%以下。

该研究不仅突破了陶瓷芯体高强度与高精度的矛盾，更构建了从基础研究到工程应用的完整技术体系。其创新点在于：1）提出双模粉末协同致密化理论；2）开发表面改性的"封装-润湿"协同机制；3）建立梯度烧结动力学模型。这些成果为先进陶瓷的增材制造提供了新的理论和技术范式，特别在航空发动机等高温高压部件制造领域具有重要应用价值。