3DCERAM陶瓷3D打印应用——陶瓷型航空发动机芯

3D打印快讯
2020
04/26
09:47
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来源:3DCERAM

随着航天、航空和工业燃气轮机的发展,涡轮发动机的燃气温度不断提高,因此要求不断增加涡轮叶片耐高温的能力。基于此目的,高温合金涡轮叶片在结构方面实现了从实心到空心的发展,在凝固方式方面实现了从多晶、定向凝固以及倒单晶的跨越。

涡轮叶片的使用环境
涡轮叶片是航空发动机中最关键的零件之一,处于发动机中温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位,且数量众多、形状复杂、尺寸要求高、加工难度大,直接影响着航空发动机的性能。先进的航空发动机工作温度可达1700℃以上,增压后,压力高达50多个大气压。
为了满足发动机性能、可靠性和寿命的要求,涡轮叶片材料需要具有优异的高温强度,良好的抗氧化、抗热腐蚀性以及良好的疲劳、断裂韧性等综合性能。
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涡轮叶片冷却与陶瓷型芯
当前,叶片的冷却结构已由传统的对流冷却、冲击冷却和气膜冷却等方式发展到高效发散冷却与层板冷却等。所有的这些冷却方式都与叶片内腔的形状有关,而内腔形状实现的可 能性又取决于陶瓷型芯的性能。铸造叶片冷却后,叶片从模具中取出,同时内部的陶瓷型芯需要溶解掉。目前,陶瓷型芯正向形状更复杂、尺寸更小、性能更高的方向发展,从而极大地促进了高性能铸造高温合金在燃气涡轮叶片中的应用。
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陶瓷型芯材质
制备陶瓷型芯的原材料必须具备以下条件:足够的耐火度(熔点或高温软化点要高于 1600℃); 具有较好的热化学稳定性,与合金有元素高温不相容;热稳定性和抗热震性能好 , 线膨胀系数较小且与型壳相匹配、易脱除, 烧成后无过多的高低温晶型转变。目前常用的材质包括:

1)氧化硅基陶瓷型芯
以石英玻璃作为基体材料 ,添加氧化铝、莫来石、 锆英粉等作为强化相, 依靠控制方石英的含量来保证陶芯的性能。氧化硅基陶瓷型芯的烧成温度通常为1150~1250℃,使用温度为1520~1550℃。当只用温度超过1550℃时,硅基型芯的高温抗蠕变性和化学稳定性显著下降。

2)氧化铝基陶瓷型芯
氧化铝在焙烧和铸造过程中结构稳定,不发生晶型转变,热膨胀系数低,热化学稳 定性良好,故氧化铝基型芯与氧化硅基相比化学稳定性、高温强度与抗蠕变性更好。同时由于氧化铝的高耐火度,氧化铝基型芯通常难以烧结且化学脱除困难,通常需要加入合适的矿化剂。

常规陶瓷型芯的制备工艺
陶瓷型芯的制备方法有热压注法、灌浆法、挤压法、传递模法等,目前国内外主要采用热压注法制备陶瓷型芯,以热塑性材料为增塑剂配制陶瓷浆料,热压注成形陶瓷型芯坯体,进行脱蜡、高温焙烧,然后将焙烧后的型芯进行整形、强化处理,最终获得尺寸 精度符合要求的陶瓷型芯。在陶瓷型芯的制备过程中, 耐火粉料的成分配比及颗粒级配、烧成温度、炉温均匀性、填料及强化处理等因素对陶瓷型芯的微观结构、高温力 学性能均有显著的影响。
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热压铸法工作流程图

陶瓷3D打印工艺
3D打印(又称增材制造) 技术基于“离散-堆积”成型原理,由零部件的三维数据驱动直接制造实体零件,省去了传统成型技术中繁复的工艺过程和昂贵的模具成本,将传统“去除”材料制造转变为“增加”材料制造。该技术集成计算机、数控、激光和新材料等技术,在制备无需模具的复杂形状和结构零部件方面具有巨大优势。      

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3D打印技术已经在直接成型复杂形状金属和高分子零部件方面显示出了巨大的优越性,新兴的3D打印工艺在高性能陶瓷的成型制造领域具有巨大的发展潜力,有望突破传统陶瓷加工和生产的技术瓶颈,充分满足对个性化、精细化、轻量化和复杂化的高端产品的快速制造的需求为陶瓷关键零部件的应用开辟新的途径。利用3D打印技术,结合陶瓷材料的优异特性则为高性能、复杂结构的空心叶片成型提供了芯的选择,其省去了模具开发复杂工序,可实现快速、低成本以及复杂结构成品的制造。

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陶瓷3D打印的原理(以目前最为主流的基于光固化陶瓷3D打印为例),一般是将陶瓷粉末与光敏树脂混合为陶瓷浆体的打印材料,通过激光逐层固化成型为陶瓷生坯。因此在图2.2 右侧中,在打印完成后还需要进行脱脂烧结等工序去除陶瓷生坯中的有机成分,得到最终的陶瓷制品。
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光固化陶瓷3D打印的主要步骤有三个:陶瓷浆料准备、光固化成型以及脱脂烧结工艺,每一步都会影响最终的陶瓷产品的质量。
稳定的陶瓷打印材料:高固含量和低颗粒度的陶瓷材料制备的陶瓷生坯可在经过热处理后获得良好的致密度,材料的稳定性和流动性取决于颗粒和颗粒、颗粒和溶剂之间的相互作用。

光固化成型:制备稳定的浆料后,需要在打印机中光固化成型。UV光敏树脂中存在大量的陶瓷颗粒,如图所示,陶瓷颗粒对光有吸收和散射作用,会对产品成型的精度产生影响。
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陶瓷颗粒对光的散射
脱脂烧结:焙烧过程伴随有机物分解和陶瓷颗粒晶粒与晶界的变化,最终得到陶瓷产品,有机物分解残余的碳会 影响产品的质量,因此选择合适的焙烧工艺对最终陶瓷产品起着很重要的作用。其原理示意图如下,图中黑色代表陶瓷颗粒,红色为树脂部分:

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适用于陶瓷型芯的陶瓷3D打印解决方案

打印材料:针对不同的浇铸方法、合金种类以及脱芯方法,针对性开发了相适应的陶瓷型芯打印材料,包括化学稳定性较好的铝基材料,脱芯方便的硅基材料,氧化铝/氧化硅复合打印材料以及氧化锆/氧化硅复合打印材料,并且可根据客户目前所使用陶瓷粉进行定制化研发,最大限度地满足浇铸工艺要求。Silicore为专为硅基陶瓷型芯开发的打印材料,其特点在于:较高的机械性能、易脱型、高温稳定性好、适用于铸造多种合金,具体指标如下
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打印设备:针对不同的应用场合,提供打印幅面从100*100mm到600*600mm的不同规格打打印设备以充分满足需求。

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工艺优势:由于采用打印机采用下沉式结构,配合高固含量的打印材料,因此在成型过程中可避免与样品直接连接的传统柱状支撑,而可采用非接触式“块状支撑”,进而方便打印后支撑与零件的分离,以及烧结过程中零件形状的保持。
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