交叉融合 协同创新｜我室与中国科学院空间应用工程与技术中心太空制造实验室联合研究取得新进展

发布日期：2026-10-26

聚焦前沿领域，聚力技术创新！近日，我室与中国科学院空间应用工程与技术中心太空制造实验室合作开展研究，在光固化陶瓷增材制造研究中取得进展。相关成果以 “Inverse lattice ceramic cores fabricated via vat photopolymerization for enhanced cooling of turbine blades”为题发表在国际期刊《Journal of Manufacturing Processes》。

Xingyao Sun, Wenyan Duan*, Feiyu Chen, Shaohan Wang, Xiaodong Liu, Gong Wang, Jinkai Xu*

Received 15 February 2026, Revised 21 August 2026, Accepted 28 August 2026, Available online 3 September 2026, Version of Record 3 September 2026.

DOI：10.1016/j.jmapro.2026.08.078

孙兴尧，段文艳*，陈飞宇，王韶涵，刘晓东，王功，许金凯*

中国科学院空间应用工程与技术中心

长春理工大学

Sun X, Duan W, Chen F, et al. Inverse lattice ceramic cores fabricated via vat photopolymerization for enhanced cooling of turbine blades[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2026, 175: 736-750.

围绕涡轮叶片复杂内部冷却结构的制造需求，提出利用光固化增材制造制备反晶格陶瓷型芯的技术路线。研究将冷却性能仿真、反晶格结构设计、成形精度调控和力学性能分析相结合，通过非反应性增塑剂调控、烧结优化及硅溶胶浸渗，制备了具有复杂周期性空腔的陶瓷型芯，为晶格冷却涡轮叶片的铸造提供了型芯制造路径。

陶瓷型芯；反晶格结构；光固化增材制造；强化冷却；力学性能

 将反晶格结构引入陶瓷型芯，为涡轮叶片内部晶格冷却结构的铸造成形提供工艺路径。

 利用PEG-200抑制固化展宽，并结合烧结调控，实现复杂反晶格型芯的精细成形与结构保持。

 揭示空腔结构对承载截面、应力集中和裂纹路径的影响。

图1 反晶格陶瓷型芯的建模、浆料制备及光固化成形流程

随着航空发动机涡轮进口温度提高，叶片承受的热负荷不断增加，需要通过内部冷却及时带走热量。将晶格结构引入冷却通道内，能够增大冷却气流与通道内金属表面的接触面积，并促进气流扰动，从而强化对流换热、改善叶片冷却。然而，陶瓷型芯用于在精密铸造中形成叶片内部冷却通道的模具，复杂晶格结构的引入对其制备提出了更高要求。

图2 晶格结构涡轮叶片研究背景

本研究将反晶格结构引入陶瓷型芯，并采用光固化增材制造进行制备。通过数值模拟比较不同晶格结构的换热与流动特性，筛选用于型芯设计的球杆BCC结构；通过调节PEG-200含量抑制固化展宽，提高复杂反晶格结构的成形精度。进一步研究烧结温度和结构参数对型芯力学性能的影响，并结合裂纹扩展路径观察与有限元分析，研究裂纹扩展和应力集中规律。在此基础上，采用硅溶胶浸渗改善型芯强度，并通过实物与点云扫描评价成形质量，为具有内部晶格冷却结构的涡轮叶片铸造提供型芯制备方案。

        1. 研究在相同孔隙率、单胞尺寸及流动边界条件下，对体心立方（BCC）、球杆BCC和Gyroid型三周期极小曲面（TPMS）晶格进行数值模拟。结果表明，球杆BCC的努塞尔数较光滑通道提高约138%，表明其能够有效强化对流换热；压降较BCC晶格降低约51%，且在所比较的晶格中最低。综合换热强化与压降表现，研究选取球杆BCC作为后续反晶格型芯的设计基础。

图3 不同晶格通道的仿真模型、温度分布与流线对比

2. 针对陶瓷颗粒散射引起的固化展宽，研究引入不参与光聚合的PEG-200，以降低有效交联组分浓度、提高临界曝光能量并减轻固化收缩。综合成形精度与清理后的结构完整性，选取相对于光敏树脂质量20 wt%的PEG-200配方；该配方实心生坯抗弯强度为5.2 MPa，能够支持复杂空腔结构清洗。

图4 不同PEG-200含量下精细结构的打印质量对比

3. 比较了1200、1225和1250 ℃烧结条件，以及设计空腔体积分数为28%-69%的反晶格结构。升温至1225 ℃后，颗粒间结合增强，型芯获得较好的强度与强度保持率平衡；进一步升温至1250 ℃，方石英生成增多，其在冷却过程中的β→α相变诱发微裂纹，抵消了部分致密化带来的强化作用。三点抗弯试验与有限元分析还表明，在相同样品尺寸下，空腔体积分数增加会削弱有效承载截面、改变局部应力集中；裂纹路径也随空腔增大而趋于曲折。因此，反晶格型芯的承载能力需要同时考虑材料状态、空腔比例和局部几何结构。

图5 样品的断口形貌与力学性能有限元分析

        4. 在复杂型芯验证中，烧结后的反晶格陶瓷型芯能够保持整体轮廓和周期性孔阵列。点云扫描显示，型芯相对于设计模型的几何偏差范围为-0.21至0.28 mm，表明该工艺具备制备复杂反晶格型芯的可行性。

图6 常规与反晶格陶瓷型芯的成形质量及点云偏差分析

本研究贯通了晶格冷却结构筛选、反晶格建模、光固化成形、烧结与浸渗强化，制备了具有复杂周期性空腔的陶瓷型芯。结果表明，浆料固化行为影响精细结构的成形质量，烧结相变与结构应力集中共同影响承载能力，硅溶胶浸渗则可通过改善颗粒结合进一步增强力学性能。这些发现为晶格冷却涡轮叶片的型芯设计与制造提供了实验依据。