给陶瓷型芯“减重”：光固化3D打印如何让航空发动机涡轮叶片铸造更稳？

[启明增材制造]航空发动机涡轮叶片，是典型“高温+复杂冷却结构”的复杂零件。要让空心叶片铸出来，先得有一副高精度陶瓷型芯——它决定了叶片内部冷却通道的形状和尺寸。但传统陶瓷型芯制备依赖多套工装模具，周期长、成本高，面对单件小批、复杂冷却结构时费时费力。

光固化增材制造（3D打印）提供了“无模化”新路径：直接把陶瓷浆料一层层固化成型，再脱脂烧结。不过，厚壁实心陶瓷型芯在烧结时收缩应力大，容易开裂变形；材料用得多，热阻也大。轻量化并不是简单减重，而是用点阵结构做“柔性填充”。

最近，南京航空航天大学杨浩秦副研究员团队联合单忠德院士等团队，在《中国机械工程》发表研究，系统回答了什么样的点阵结构适合航空发动机涡轮叶片陶瓷型芯。

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12种点阵单体谁更能扛？

团队基于变密度拓扑优化和均匀化方法，设计了12类点阵单体，包括三角形蜂窝、六边形蜂窝、开尔文胞元、金刚石结构、八角桁架，以及Gyroid、Lidinoid、SplitP、Neovius等TPMS（三周期极小曲面）结构。在相同减重率约50%的条件下，用4 MPa均布载荷做静力学仿真。

图1 拓扑单体结构

结果是三角形蜂窝和六边形蜂窝表现最好，相对等效应力分别只有21.7 MPa和22.1 MPa。原因是它们具有平面连接特征和协同应力分散机制；而梁杆类结构应力容易集中在细支柱上，TPMS曲面结构则在曲率大的折弯处容易变形。

以三角形蜂窝为例，团队比较了0.5 mm到4 mm的晶格尺寸。发现晶格细化后应力整体在16 MPa附近小幅波动，1.5 mm时等效应力最低，约15.05 MPa。六边形蜂窝则在1 mm附近达到较低值，但0.5 mm时因胞壁接近加工极限、缺陷影响放大，出现应力集中反弹。这说明：轻量化设计不能一味追求“细”，要考虑制造极限和缺陷敏感性。

图2 三角形蜂窝结构单体不同晶格尺寸轻量化设计效果

研究人员定制了 17 vol.% B4C / Al-6.5Zn-1.8Mg-1.7Cu 复合线材，在 7075-T651 铝合金基板上进行沉积。AFED 过程中产生的多级剧烈塑性变形，不仅避免了高温界面反应，还像揉面团一样，将颗粒打碎并均匀分散在基体中。

团队把优化参数用到实际陶瓷型芯上：三角形蜂窝、1.5 mm晶格、UVW填充。采用氧化硅基陶瓷浆料（固含量78%，D50=10 μm），光固化打印后经脱脂和烧结，制备出外形最大尺寸64 mm×24 mm×102 mm的轻量化陶瓷型芯。

检测结果显示尺寸误差小于±0.05 mm，常温抗弯强度达到30.7 MPa。对于大壁厚型芯，团队还引入梯度设计——壁厚大的地方用较大晶格，壁厚小的地方用较小晶格，提高密度均匀性。轻量化结构使热惯性下降约40%～60%，并促进脱脂气体疏散，减少内部压力导致的开裂。

图4 B4C/Al-Zn-Mg-Cu复合材料在AFED（增材摩擦挤出沉积）过程中四阶段塑性变形的示意图。

这项工作的价值不只是“减重”。它把“拓扑优化—点阵设计—光固化制造—铸造验证”串联起来，为航空发动机涡轮叶片陶瓷型芯提供了一套可复制的轻量化设计方法：既要扛得住铸造载荷，又要降低烧结开裂风险，还要改善脱脂传热。对于单件小批、复杂冷却结构的空心叶片快速研制，这是一条值得关注的短流程路线。

图5 轻量化设计的大壁厚陶瓷型芯典型件

杨浩秦,单忠德,闫丹丹,吴润谋,孔祥浩. 航空发动机涡轮叶片光固化增材制造陶瓷型芯轻量化结构力学性能研究[J]. 中国机械工程, 2026, 37(6): 1353-1361 DOI:10.3969/j.issn.1004-132X.2026.06.007

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