3D打印航發(fā)鎳基高溫合金葉片陶瓷型芯將規(guī)模應(yīng)用

全球領(lǐng)先的陶瓷3D打印機(jī)廠商3DCERAM，與世界著名的航空發(fā)動機(jī)研發(fā)單位烏克蘭伊夫琴科-進(jìn)步設(shè)計(jì)局，合作采用3D打印技術(shù)生產(chǎn)航發(fā)鎳基高溫合金葉片的陶瓷型芯！


△3D打印陶瓷型芯生產(chǎn)的鎳基高溫合金葉片（使用3DCERAM的C900 Flex設(shè)備及Silicore硅鋯型芯專用材料）

當(dāng)今飛機(jī)工業(yè)的主要優(yōu)先事項(xiàng)之一就是設(shè)計(jì)和生產(chǎn)效率更高的發(fā)動機(jī)，新的發(fā)動機(jī)消耗更少的燃料，因此對環(huán)境更有利，成本效益更高。實(shí)現(xiàn)這些改進(jìn)的核心工藝是如何生產(chǎn)具有復(fù)雜冷卻空氣內(nèi)流道的高溫合金渦輪葉片。

而葉片的內(nèi)流道是通過陶瓷型芯來實(shí)現(xiàn)的，這也將解決問題的難點(diǎn)變?yōu)槿绾紊a(chǎn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的陶瓷型芯。

△烏克蘭曾經(jīng)的旗艦航空發(fā)動機(jī)D-18T

傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝如壓制和注射成型工藝是無法實(shí)現(xiàn)如此復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，并將會花費(fèi)大量時(shí)間和成本，因?yàn)樗鼈儽仨殞⑿托痉譃閹讉€(gè)零件分別生產(chǎn)然后再由人工拼接在一起。這種方式不但效率低下，產(chǎn)品的合格率也只能維持在一個(gè)非常低的水平。

這樣的背景給3D打印技術(shù)的應(yīng)用帶來了巨大的機(jī)會。陶瓷3D打印技術(shù)專家的3DCeram利用其激光立體印刷術(shù)(SLA) 3D打印工藝和創(chuàng)新的硅鋯材料，并將這項(xiàng)技術(shù)用于生產(chǎn)發(fā)動機(jī)渦輪葉片復(fù)雜鑄造型芯。3DCERAM與業(yè)界赫赫有名的烏克蘭“伊夫琴科-進(jìn)步”設(shè)計(jì)局（其最大的服務(wù)對象就是馬達(dá)西奇公司）幾年合作的成果最近得到了驗(yàn)證。


△3D打印的陶瓷型芯

3DCeram核心生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)是激光光固化的SLA技術(shù)，通過使用計(jì)算機(jī)控制的UV激光束選擇性地固化可光聚合的陶瓷打印材料來制造零部件。在陶瓷型芯的生產(chǎn)中，材料也是一個(gè)關(guān)鍵因素:“陶瓷類型取決于鑄造生產(chǎn)中使用的合金類型，因此在鑄造階段鐵芯和金屬之間沒有化學(xué)反應(yīng)。所選用的陶瓷還必須具有耐熱和耐機(jī)械性能，能承受金屬鑄造，熱膨脹系數(shù)(CTE)低，在加工過程中尺寸穩(wěn)定性高，在金屬冷卻過程后具有良好的浸出性?！?/span>

為此，3DCeram公司開發(fā)了用于生產(chǎn)渦輪葉片鑄造用型芯的硅鋯材料。該材料粉末部分成分與幾十年來一直用于鑄造鎳基渦輪葉片的硅基復(fù)合材料類似，其特點(diǎn)是熱膨脹系數(shù)低，熱穩(wěn)定性好，抗熱震性好。此外，硅鋯型芯脫芯較為容易，可在鑄造后使用對合金無害的溶液輕易去除。最后，陶瓷型芯燒結(jié)過程形成方石英，保證了硅芯的耐溫性和高溫尺寸穩(wěn)定性。

總的來說，3DCeram的工藝為熔模鑄造工藝提供了一系列優(yōu)勢，包括更靈活的設(shè)計(jì)，可制備高復(fù)雜性的型芯產(chǎn)品，更快的新設(shè)計(jì)迭代和特定數(shù)量下更低的制造成本。

△壓完臘模后的陶瓷型芯


△型芯包裹臘膜后的橫切截面

驗(yàn)證過程

從2019年開始，3DCeram與進(jìn)步設(shè)計(jì)局合作，驗(yàn)證了用于渦輪葉片生產(chǎn)的CERAMAKER 900系列陶瓷3D打印機(jī)以及其專門為陶瓷型芯應(yīng)用開發(fā)的硅鋯打印材料Silicore。雙方一起著手實(shí)現(xiàn)最佳的3D打印結(jié)果的鑄造型芯，并保證其達(dá)到傳統(tǒng)工藝的同等質(zhì)量水平。最后，對采用SX熔模鑄造工藝鑄造的3D打印陶瓷型芯進(jìn)行了測試和驗(yàn)證。

在第一階段，兩家公司打印了陶瓷3D打印，并達(dá)到了傳統(tǒng)檢測工藝的質(zhì)量及尺寸檢測。這使得能夠進(jìn)一步成功地將3D打印的陶瓷型芯完成壓臘模工藝。蠟?zāi)?內(nèi)部陶瓷芯)經(jīng)x線檢查，陶瓷芯完好無損，無開裂、損壞。



△壓完臘模的陶瓷型芯的橫切截面

在接下來的階段，進(jìn)步設(shè)計(jì)局采用傳統(tǒng)工藝制作了澆注的一系列如模殼等的準(zhǔn)備工作，并最終成功完成了高溫鎳基合金葉片的澆注工作。在從鑄造的合金葉片中浸出陶瓷核心后，每個(gè)葉片都要進(jìn)行額外的檢查，包括x射線控制和超聲波控制。前者證明陶瓷材料在浸出過程中被成功地去除，后者用于測量葉片不同截面的厚度。

最終，將3DCeram公司的陶瓷3D打印工藝和硅鋯材料成功應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片鑄造型芯的生產(chǎn)。在SX -鑄造過程中，測試證實(shí)Silicore材料的性能符合澆注的要求，進(jìn)步設(shè)計(jì)局也對該材料進(jìn)行了認(rèn)證，認(rèn)定其滿足復(fù)雜陶瓷型芯的生產(chǎn)要求。

上文中的葉片，也是目前極少數(shù)的被披露出的采用陶瓷3D打印技術(shù)制備陶瓷型芯并完成澆注后的高溫合金葉片。根據(jù)3DCeram近幾年在陶瓷型芯應(yīng)用上的豐富經(jīng)驗(yàn)，我們堅(jiān)信陶瓷3D打印技術(shù)將會在不遠(yuǎn)的將來被大規(guī)模應(yīng)用于復(fù)雜航發(fā)葉片型芯的制備。