3D打印航发镍基高温合金叶片陶瓷型芯将规模应用,3DCERAM与乌克兰伊夫琴科合作

3D打印快讯
2020
10/26
15:23
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南极熊导读:全球领先的陶瓷3D打印机厂商3DCERAM,与世界著名的航空发动机研发单位乌克兰伊夫琴科-进步设计局,合作采用3D打印技术生产航发镍基高温合金叶片的陶瓷型芯!

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△3D打印陶瓷型芯生产的镍基高温合金叶片(使用3DCERAM的C900 Flex设备及Silicore硅锆型芯专用材料)

当今飞机工业的主要优先事项之一就是设计和生产效率更高的发动机,新的发动机消耗更少的燃料,因此对环境更有利,成本效益更高。实现这些改进的核心工艺是如何生产具有复杂冷却空气内流道的高温合金涡轮叶片。

而叶片的内流道是通过陶瓷型芯来实现的,这也将解决问题的难点变为如何生产复杂结构的陶瓷型芯。
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△乌克兰曾经的旗舰航空发动机D-18T

传统的生产工艺如压制和注射成型工艺是无法实现如此复杂的结构,并将会花费大量时间和成本,因为它们必须将型芯分为几个零件分别生产然后再由人工拼接在一起。这种方式不但效率低下,产品的合格率也只能维持在一个非常低的水平。

这样的背景给3D打印技术的应用带来了巨大的机会。陶瓷3D打印技术专家的3DCeram利用其激光立体印刷术(SLA) 3D打印工艺和创新的硅锆材料,并将这项技术用于生产发动机涡轮叶片复杂铸造型芯。3DCERAM与业界赫赫有名的乌克兰“伊夫琴科-进步”设计局(其最大的服务对象就是马达西奇公司)几年合作的成果最近得到了验证。

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△3D打印的陶瓷型芯

3DCeram核心生产工艺的基础是激光光固化的SLA技术,通过使用计算机控制的UV激光束选择性地固化可光聚合的陶瓷打印材料来制造零部件。在陶瓷型芯的生产中,材料也是一个关键因素:“陶瓷类型取决于铸造生产中使用的合金类型,因此在铸造阶段铁芯和金属之间没有化学反应。所选用的陶瓷还必须具有耐热和耐机械性能,能承受金属铸造,热膨胀系数(CTE)低,在加工过程中尺寸稳定性高,在金属冷却过程后具有良好的浸出性。”

为此,3DCeram公司开发了用于生产涡轮叶片铸造用型芯的硅锆材料。该材料粉末部分成分与几十年来一直用于铸造镍基涡轮叶片的硅基复合材料类似,其特点是热膨胀系数低,热稳定性好,抗热震性好。此外,硅锆型芯脱芯较为容易,可在铸造后使用对合金无害的溶液轻易去除。最后,陶瓷型芯烧结过程形成方石英,保证了硅芯的耐温性和高温尺寸稳定性。

总的来说,3DCeram的工艺为熔模铸造工艺提供了一系列优势,包括更灵活的设计,可制备高复杂性的型芯产品,更快的新设计迭代和特定数量下更低的制造成本。
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△压完腊模后的陶瓷型芯

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△型芯包裹腊膜后的横切截面

验证过程

从2019年开始,3DCeram与进步设计局合作,验证了用于涡轮叶片生产的CERAMAKER 900系列陶瓷3D打印机以及其专门为陶瓷型芯应用开发的硅锆打印材料Silicore。双方一起着手实现最佳的3D打印结果的铸造型芯,并保证其达到传统工艺的同等质量水平。最后,对采用SX熔模铸造工艺铸造的3D打印陶瓷型芯进行了测试和验证。

在第一阶段,两家公司打印了陶瓷3D打印,并达到了传统检测工艺的质量及尺寸检测。这使得能够进一步成功地将3D打印的陶瓷型芯完成压腊模工艺。蜡模(内部陶瓷芯)经x线检查,陶瓷芯完好无损,无开裂、损坏。


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△压完腊模的陶瓷型芯的横切截面

在接下来的阶段,进步设计局采用传统工艺制作了浇注的一系列如模壳等的准备工作,并最终成功完成了高温镍基合金叶片的浇注工作。在从铸造的合金叶片中浸出陶瓷核心后,每个叶片都要进行额外的检查,包括x射线控制和超声波控制。前者证明陶瓷材料在浸出过程中被成功地去除,后者用于测量叶片不同截面的厚度。

最终,将3DCeram公司的陶瓷3D打印工艺和硅锆材料成功应用于航空发动机涡轮叶片铸造型芯的生产。在SX -铸造过程中,测试证实Silicore材料的性能符合浇注的要求,进步设计局也对该材料进行了认证,认定其满足复杂陶瓷型芯的生产要求。

上文中的叶片,也是目前极少数的被披露出的采用陶瓷3D打印技术制备陶瓷型芯并完成浇注后的高温合金叶片。根据3DCeram近几年在陶瓷型芯应用上的丰富经验,我们坚信陶瓷3D打印技术将会在不远的将来被大规模应用于复杂航发叶片型芯的制备。

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