全球領(lǐng)先的陶瓷3D打印機(jī)廠商3DCERAM，與世界著名的航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)單位烏克蘭伊夫琴科－進(jìn)步設(shè)計(jì)局，合作采用3D打印技術(shù)生產(chǎn)航發(fā)鎳基高溫合金葉片的陶瓷型芯！

當(dāng)今飛機(jī)工業(yè)的主要優(yōu)先事項(xiàng)之一就是設(shè)計(jì)和生產(chǎn)效率更高的發(fā)動(dòng)機(jī)，新的發(fā)動(dòng)機(jī)消耗更少的燃料，因此對(duì)環(huán)境更有利，成本效益更高。實(shí)現(xiàn)這些改進(jìn)的核心工藝是如何生產(chǎn)具有復(fù)雜冷卻空氣內(nèi)流道的高溫合金渦輪葉片。

而葉片的內(nèi)流道是通過(guò)陶瓷型芯來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這也將解決問(wèn)題的難點(diǎn)變?yōu)槿绾紊a(chǎn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的陶瓷型芯。

傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝如壓制和注射成型工藝是無(wú)法實(shí)現(xiàn)如此復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，并將會(huì)花費(fèi)大量時(shí)間和成本，因?yàn)樗鼈儽仨殞⑿托痉譃閹讉€(gè)零件分別生產(chǎn)然后再由人工拼接在一起。這種方式不但效率低下，產(chǎn)品的合格率也只能維持在一個(gè)非常低的水平。

這樣的背景給3D打印技術(shù)的應(yīng)用帶來(lái)了巨大的機(jī)會(huì)。陶瓷3D打印技術(shù)專(zhuān)家的3DCeram利用其激光立體印刷術(shù)（SLA） 3D打印工藝和創(chuàng)新的硅鋯材料，并將這項(xiàng)技術(shù)用于生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片復(fù)雜鑄造型芯。3DCERAM與業(yè)界赫赫有名的烏克蘭“伊夫琴科－進(jìn)步”設(shè)計(jì)局（其最大的服務(wù)對(duì)象就是馬達(dá)西奇公司）幾年合作的成果最近得到了驗(yàn)證。

3DCeram核心生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)是激光光固化的SLA技術(shù)，通過(guò)使用計(jì)算機(jī)控制的UV激光束選擇性地固化可光聚合的陶瓷打印材料來(lái)制造零部件。在陶瓷型芯的生產(chǎn)中，材料也是一個(gè)關(guān)鍵因素：“陶瓷類(lèi)型取決于鑄造生產(chǎn)中使用的合金類(lèi)型，因此在鑄造階段鐵芯和金屬之間沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)。所選用的陶瓷還必須具有耐熱和耐機(jī)械性能，能承受金屬鑄造，熱膨脹系數(shù)（CTE）低，在加工過(guò)程中尺寸穩(wěn)定性高，在金屬冷卻過(guò)程后具有良好的浸出性?！?/p>

為此，3DCeram公司開(kāi)發(fā)了用于生產(chǎn)渦輪葉片鑄造用型芯的硅鋯材料。該材料粉末部分成分與幾十年來(lái)一直用于鑄造鎳基渦輪葉片的硅基復(fù)合材料類(lèi)似，其特點(diǎn)是熱膨脹系數(shù)低，熱穩(wěn)定性好，抗熱震性好。此外，硅鋯型芯脫芯較為容易，可在鑄造后使用對(duì)合金無(wú)害的溶液輕易去除。最后，陶瓷型芯燒結(jié)過(guò)程形成方石英，保證了硅芯的耐溫性和高溫尺寸穩(wěn)定性。

總的來(lái)說(shuō)，3DCeram的工藝為熔模鑄造工藝提供了一系列優(yōu)勢(shì)，包括更靈活的設(shè)計(jì)，可制備高復(fù)雜性的型芯產(chǎn)品，更快的新設(shè)計(jì)迭代和特定數(shù)量下更低的制造成本。

驗(yàn)證過(guò)程

從2019年開(kāi)始，3DCeram與進(jìn)步設(shè)計(jì)局合作，驗(yàn)證了用于渦輪葉片生產(chǎn)的CERAMAKER 900系列陶瓷3D打印機(jī)以及其專(zhuān)門(mén)為陶瓷型芯應(yīng)用開(kāi)發(fā)的硅鋯打印材料Silicore。雙方一起著手實(shí)現(xiàn)最佳的3D打印結(jié)果的鑄造型芯，并保證其達(dá)到傳統(tǒng)工藝的同等質(zhì)量水平。最后，對(duì)采用SX熔模鑄造工藝鑄造的3D打印陶瓷型芯進(jìn)行了測(cè)試和驗(yàn)證。

在第一階段，兩家公司打印了陶瓷3D打印，并達(dá)到了傳統(tǒng)檢測(cè)工藝的質(zhì)量及尺寸檢測(cè)。這使得能夠進(jìn)一步成功地將3D打印的陶瓷型芯完成壓臘模工藝。蠟?zāi)＃▋?nèi)部陶瓷芯）經(jīng)x線檢查，陶瓷芯完好無(wú)損，無(wú)開(kāi)裂、損壞。

在接下來(lái)的階段，進(jìn)步設(shè)計(jì)局采用傳統(tǒng)工藝制作了澆注的一系列如模殼等的準(zhǔn)備工作，并最終成功完成了高溫鎳基合金葉片的澆注工作。在從鑄造的合金葉片中浸出陶瓷核心后，每個(gè)葉片都要進(jìn)行額外的檢查，包括x射線控制和超聲波控制。前者證明陶瓷材料在浸出過(guò)程中被成功地去除，后者用于測(cè)量葉片不同截面的厚度。

最終，將3DCeram公司的陶瓷3D打印工藝和硅鋯材料成功應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片鑄造型芯的生產(chǎn)。在SX －鑄造過(guò)程中，測(cè)試證實(shí)Silicore材料的性能符合澆注的要求，進(jìn)步設(shè)計(jì)局也對(duì)該材料進(jìn)行了認(rèn)證，認(rèn)定其滿足復(fù)雜陶瓷型芯的生產(chǎn)要求。

上文中的葉片，也是目前極少數(shù)的被披露出的采用陶瓷3D打印技術(shù)制備陶瓷型芯并完成澆注后的高溫合金葉片。根據(jù)近幾年在陶瓷型芯應(yīng)用上的豐富經(jīng)驗(yàn)，3DCeram堅(jiān)信陶瓷3D打印技術(shù)將會(huì)在不遠(yuǎn)的將來(lái)被大規(guī)模應(yīng)用于復(fù)雜航發(fā)葉片型芯的制備。
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