LITHOZ 3D打印航空發(fā)動機葉片用陶瓷型芯

航空發(fā)動機作為航天飛行器的核心部件，決定發(fā)動機關鍵性能的渦輪葉片成為研究的重中之重。一臺航空發(fā)動機的推動力與渦輪機前沿進氣口溫度密切相關，渦輪葉片的承溫能力則決定了整臺發(fā)動機的推動力，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，但是受到金屬熔點的限制，高溫合金的性能已接近極限；另一種是探索具備復雜空心結(jié)構的葉片冷卻技術�？招慕Y(jié)構改進了原始渦輪葉片的冷卻方式，這種結(jié)構能夠有效提高渦輪葉片的承溫能力，從而有效提高發(fā)動機的工作溫度，這種更為高效的氣冷方式是目前的研究重點。通過復雜氣冷內(nèi)腔結(jié)構改善渦輪葉片散熱能力已成為先進發(fā)動機制造的關鍵。

△渦輪發(fā)動機及空心葉片結(jié)構圖

對于如此復雜的空心葉片，如何制造便成了最大的難題。傳統(tǒng)機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，費時費力。現(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。作為葉片制造技術瓶頸之一的陶瓷型芯，其造型材料和制造工藝的不斷改進對于增強陶瓷型芯各項性能十分重要，也一直是空心葉片研究中的關鍵問題。

目前設計的陶瓷鑄造型芯越來越復雜，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間長、工藝復雜、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打印技術的出現(xiàn)便及時的解決了這些問題。Lithoz公司的LCM技術可以實現(xiàn)傳統(tǒng)工藝無法完成的高復雜結(jié)構陶瓷產(chǎn)品的生產(chǎn)。因此，LCM技術給航空航天渦輪發(fā)動機和燃氣輪機中的高復雜結(jié)構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的設計需求。而且，LCM技術可以快速、低成本的實現(xiàn)小批量系列的原型產(chǎn)品的生產(chǎn)。由于該技術無需模具，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相比，3D打印技術是一種無需模具的生產(chǎn)制造技術。因此3D打印技術可以繞過傳統(tǒng)工藝必須的、昂貴而又復雜的模具制造部分。

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，而廣泛應用于國內(nèi)外航空工業(yè)中。

△使用Lithoz的CeraFab8500設備，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。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設備，高精度投影提供高達2560x1600像素的分辨率，橫向分辨率高達25微米，保證了打印組件的絕對精度，特別是在微距范圍內(nèi)，最大打印尺寸可達192×120×500mm�？蓾M足客戶的不同尺寸的打印需求。

△使用Lithoz CF System S25、S65、S230設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鍵性能
通過 LCM 技術可以打印高精度、高復雜結(jié)構的陶瓷葉片型芯。且具有以下特性：
（1） 優(yōu)良的尺寸重復性和公差
（2） 最大尺寸可達 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） 高復雜結(jié)構，如機翼最薄處可達 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 設備生產(chǎn)的。對鑄造型芯進行尺寸檢查的結(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文件尺寸對比

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

△不同批次，帶有支撐結(jié)構和不帶有支撐結(jié)構鑄造型芯的尺寸誤差對比

由此可見，使用3D打印技術生產(chǎn)陶瓷型芯非常適合，方便快捷，可以打印極其復雜的結(jié)構，且性能參數(shù)符合空心葉片鑄造的實際需求；目前飛機發(fā)動機的主流制造商都已經(jīng)在使用3D打印技術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已經(jīng)長期使用Lithoz 陶瓷3D機生產(chǎn)葉片型芯，并于2017年歐洲陶瓷增材會議AM Ceramics上展示了初步的成果。