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              LITHOZ 3D打印航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片用陶瓷型芯

              國(guó)防航天能源
              2020
              04/10
              11:13
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              評(píng)論
              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(guò)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(guò)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(lái)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(wèn)題。

              目前設(shè)計(jì)的陶瓷鑄造型芯越來(lái)越復(fù)雜,而通過(guò)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(zhǎng)、工藝復(fù)雜、坯體表面易起皮等問(wèn)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(wèn)題。Lithoz公司的LCM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工藝無(wú)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(mǎn)足他們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)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(wú)需模具,因此大大縮短了研發(fā)-市場(chǎng)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(wú)需模具的生產(chǎn)制造技術(shù)。因此3D打印技術(shù)可以繞過(guò)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(guó)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(wèn)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(guó)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(lái)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(hù)開(kāi)發(fā)定制化的材料,滿(mǎn)足客戶(hù)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??蓾M(mǎn)足客戶(hù)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(guò) 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(guò)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(méi)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(jiàn),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(guó)賽峰集團(tuán)已經(jīng)長(zhǎng)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。


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