LITHOZ 3D打印航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片用陶瓷型芯

航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為航天飛行器的核心部件，決定發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵性能的渦輪葉片成為研究的重中之重。一臺(tái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推動(dòng)力與渦輪機(jī)前沿進(jìn)氣口溫度密切相關(guān)，渦輪葉片的承溫能力則決定了整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的推動(dòng)力，而提高渦輪葉片承溫能力的方法主要有兩種，一種是探索性能更優(yōu)化更穩(wěn)定的高溫合金，但是受到金屬熔點(diǎn)的限制，高溫合金的性能已接近極限；另一種是探索具備復(fù)雜空心結(jié)構(gòu)的葉片冷卻技術(shù)。空心結(jié)構(gòu)改進(jìn)了原始渦輪葉片的冷卻方式，這種結(jié)構(gòu)能夠有效提高渦輪葉片的承溫能力，從而有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度，這種更為高效的氣冷方式是目前的研究重點(diǎn)。通過復(fù)雜氣冷內(nèi)腔結(jié)構(gòu)改善渦輪葉片散熱能力已成為先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)制造的關(guān)鍵。

△渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)及空心葉片結(jié)構(gòu)圖

對(duì)于如此復(fù)雜的空心葉片，如何制造便成了最大的難題。傳統(tǒng)機(jī)加工和鍛壓的手段加工難度很大，很難形成葉片的內(nèi)腔形狀，并且制造過程中材料的利用率低，制造成本高，費(fèi)時(shí)費(fèi)力�，F(xiàn)在只能采用熔模精鑄陶瓷型芯來解決這一難題，而在熔模鑄造中，作為形成空心鑄件內(nèi)腔形狀的陶瓷型芯，它的性能和質(zhì)量對(duì)鑄件生產(chǎn)的合格率和成本起著非常大的影響作用。作為葉片制造技術(shù)瓶頸之一的陶瓷型芯，其造型材料和制造工藝的不斷改進(jìn)對(duì)于增強(qiáng)陶瓷型芯各項(xiàng)性能十分重要，也一直是空心葉片研究中的關(guān)鍵問題。

目前設(shè)計(jì)的陶瓷鑄造型芯越來越復(fù)雜，而通過傳統(tǒng)的熱壓注成型、凝膠注模成型、注射成型等方法存在排蠟時(shí)間長、工藝復(fù)雜、坯體表面易起皮等問題，且傳統(tǒng)方法中模具依然是必不可少的，工藝流程較為復(fù)雜。因此急需探尋一種新型的、快捷有效的陶瓷型芯制造方法。

陶瓷3D打印技術(shù)的出現(xiàn)便及時(shí)的解決了這些問題。Lithoz公司的LCM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工藝無法完成的高復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷產(chǎn)品的生產(chǎn)。因此，LCM技術(shù)給航空航天渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)中的高復(fù)雜結(jié)構(gòu)的陶瓷葉片型芯提供完美的解決方案，滿足他們?nèi)找嬖鲩L的設(shè)計(jì)需求。而且，LCM技術(shù)可以快速、低成本的實(shí)現(xiàn)小批量系列的原型產(chǎn)品的生產(chǎn)。由于該技術(shù)無需模具，因此大大縮短了研發(fā)-市場階段的周期。與傳統(tǒng)的注射成型制造葉片型芯技術(shù)相比，3D打印技術(shù)是一種無需模具的生產(chǎn)制造技術(shù)。因此3D打印技術(shù)可以繞過傳統(tǒng)工藝必須的、昂貴而又復(fù)雜的模具制造部分。

目前，國內(nèi)外在空心葉片制造中使用比較普遍的主要有硅基和鋁基陶瓷型芯。其中，相較于鋁基陶芯燒結(jié)困難和不易脫芯等問題的存在，硅基陶瓷型芯以熱膨脹系數(shù)小、穩(wěn)定性好、表面光潔度高且易于脫芯等一系列優(yōu)點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外航空工業(yè)中。

△使用Lithoz的CeraFab8500設(shè)備，LithaCore450材料打印的陶瓷葉片型芯

3D 打印陶瓷葉片型芯的材料
LithaCore450是一款由奧地利Lithoz公司自主研發(fā)的一種用于3D打印生產(chǎn)陶瓷葉片型芯的硅基材料。
典型的應(yīng)用有：用來生產(chǎn)單晶鎳基合金的渦輪葉片的鑄造型芯；定向凝固鑄造型芯；等軸鑄造型芯。

LithaCore450是一種可以3D打印制備高精度、高細(xì)節(jié)陶瓷葉片型芯的材料。燒結(jié)后的葉片型芯產(chǎn)品具有非常低的熱膨脹率、較高的孔隙率、優(yōu)異的表面質(zhì)量和優(yōu)良的洗濾性等優(yōu)點(diǎn)。另外，Lithoz可以為客戶開發(fā)定制化的材料，滿足客戶廣泛的合金鑄造需求。

此外，Lithoz最新研發(fā)的用于批量打印的CeraFab System S25、S65、S230設(shè)備，高精度投影提供高達(dá)2560x1600像素的分辨率，橫向分辨率高達(dá)25微米，保證了打印組件的絕對(duì)精度，特別是在微距范圍內(nèi)，最大打印尺寸可達(dá)192×120×500mm。可滿足客戶的不同尺寸的打印需求。

△使用Lithoz CF System S25、S65、S230設(shè)備打印的不同尺寸的陶瓷型芯

Lithoz 公司 3D 打印葉片鑄造陶瓷型芯關(guān)鍵性能
通過 LCM 技術(shù)可以打印高精度、高復(fù)雜結(jié)構(gòu)的陶瓷葉片型芯。且具有以下特性：
（1） 優(yōu)良的尺寸重復(fù)性和公差
（2） 最大尺寸可達(dá) 500mm
（3） 表面光潔度 Ra <3 μm ，保證合金鑄件內(nèi)部通道的表面質(zhì)量（可通過優(yōu)化工藝，提供Ra <2 μm的陶瓷型芯）。
（4） 高復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如機(jī)翼最薄處可達(dá) 200 μm

模型尺寸與打印產(chǎn)品公差研究
LithaCore450 陶瓷葉片型芯是使用 Lithoz 公司的 CeraFab 8500 設(shè)備生產(chǎn)的。對(duì)鑄造型芯進(jìn)行尺寸檢查的結(jié)果（下圖）顯示，其與 CAD 模型的最大偏差為 0.1mm，符合鑄造型芯應(yīng)用的尺寸要求（通常是 0.3 毫米）。

△打印模型與原始STL文件尺寸對(duì)比

另外，不同生產(chǎn)周期下生產(chǎn)的兩個(gè)陶瓷型芯的尺寸對(duì)比（一個(gè)帶有支撐結(jié)構(gòu)，一個(gè)沒有支撐結(jié)構(gòu)）。結(jié)果如下圖，表明不同批次打印的產(chǎn)品具有+/- 0.05mm 的重復(fù)性誤差。

△不同批次，帶有支撐結(jié)構(gòu)和不帶有支撐結(jié)構(gòu)鑄造型芯的尺寸誤差對(duì)比

由此可見，使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)陶瓷型芯非常適合，方便快捷，可以打印極其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，且性能參數(shù)符合空心葉片鑄造的實(shí)際需求；目前飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的主流制造商都已經(jīng)在使用3D打印技術(shù)從事陶瓷型芯的研發(fā)生產(chǎn)，航空航天巨頭法國賽峰集團(tuán)已經(jīng)長期使用Lithoz 陶瓷3D機(jī)生產(chǎn)葉片型芯，并于2017年歐洲陶瓷增材會(huì)議AM Ceramics上展示了初步的成果。