透过霍尼韦尔3D打印陶瓷型芯制造涡轮叶片看新机遇

根据《利用3D打印应对陶瓷型芯成型挑战(路线分类及其优化篇)》一文,复杂异形陶瓷型芯的成型和制造非常困难,传统方法逐渐难以实现如多层壁型芯等复杂异形陶瓷型芯的成型。3D打印技术为复杂异形陶瓷型芯的成型提供了创新技术途径。与传统制造方式不同,3D打印制造方式能极大简化制造流程,大大缩短开发周期,同时还具有高精度、低成本、材料浪费少、设计性强等优点。然而目前3D打印的陶瓷型芯距离实际工程应用仍存在一定差距,较多关键技术仍需突破、相关机理亟待揭示,需要进一步对其发展面临的关键挑战进行分析。

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本期,3D科学谷与谷友通过霍尼韦尔使用陶瓷3D打印模具制造涡轮叶片来一起领略陶瓷增材制造在这一领域的优势与挑战。

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▲ 3D打印陶瓷型芯
© 霍尼韦尔

block 简化复杂

航空事业的迅速发展对高推重比航空发动机提出了迫切需求。其中,空心涡轮叶片一般使用复杂异形的铸造型芯,通过熔模精密铸造而成。陶瓷型芯由于具有高熔点、耐腐蚀、化学稳定等优点,成为高熔点金属铸造采用的最主要型芯材料。然而,复杂异形陶瓷型芯的成型于制造却极其困难。3D打印(3D printing)技术为复杂异形陶瓷型芯的成型提供了创新技术途径。

3D打印陶瓷型芯的精度与效率通常相互制衡。陶瓷型芯作为空心涡轮叶片精密铸造过程中必不可少的关键部件,结构极其复杂且对精度要求极高。目前实际应用最多的为二氧化硅基陶瓷型芯和氧化铝基陶瓷型芯。

陶瓷学报《陶瓷型芯3D打印研究进展与挑战》

传统上,涡轮叶片是通过熔模铸造工艺制造的,世界上只有少数铸造厂可以处理,这中间涉及到加工极其复杂的金属模具以创建陶瓷模具,然后用熔融的超级合金铸造以形成叶片。

block 提高效率与精度

霍尼韦尔航空航天公司利用3D打印技术在制造领域取得了显著进展,特别是在铸造模具的制作上。Brian Baughman和他的团队通过使用基于光固化技术的3D打印技术,能够直接将陶瓷浆料打印成所需的模具形状,这大大提升了制造效率和精度。

光固化3D打印技术,又称为光敏树脂固化技术,是一种利用特定波长的光照射光敏树脂,使其在特定区域固化形成模型层的技术。这种技术可以打印出高精度和复杂形状的部件,非常适合用于制作精密的铸造模具。

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▲ 瓷型芯光固化3D打印
© 3D科学谷白皮书

霍尼韦尔使用的Prodways公司的3D打印机采用了名为MovingLight的专有技术,这种技术涉及到使用移动的光源来逐层固化材料,从而实现3D打印过程。这种3D打印机已经在航空航天工业中得到应用,用于制造飞机发动机等关键部件,显示出其在高性能制造领域的潜力。

通过3D打印技术,霍尼韦尔能够实现更快的设计迭代,缩短产品开发周期,并提高制造过程的灵活性和成本效益。同时,这种技术还有助于减少材料浪费,符合现代制造业对可持续发展的要求。

根据霍尼韦尔首席研发科学家 Mike Baldwin,使用传统的熔模铸造工艺,生产开发过程所需的涡轮叶片可能需要一到两年的时间,增材制造让研发人员能够从设计、3D打印模具、铸造模具、测试模具,并获得真实数据来验证研发人员开发的模型——所有这些只需七到八周的时间。如果需要调整设计,可以立即进行更改,并在大约六周内获得另一个叶片。在3D打印之前,即使对叶片设计进行微小的更改也可能非常昂贵,增材制造可以快速进行原型设计,并提供了更大的灵活性,以加速开发、降低成本并创造最好的产品。缩短开发周期是开发人员的主要目标,并且与使用传统叶片铸造工艺相比,还预计可以节省数百万美元的开发成本。

霍尼韦尔最近的进展为3D打印陶瓷部件打开了一个非常重要的潜在市场的商业机会,但短期内,他们仍对这种应用的3D打印机销售前景持谨慎态度。小批量生产往往是一个难题,因为涡轮叶片的前期工具成本非常高,制造需要很长的准备时间。在这种情况下,增材制造非常有意义。

突破中的技术

根据陶瓷学报《陶瓷型芯3D打印研究进展与挑战》一文,目前,国内外已有部分研究机构开展了面向航空发动机涡轮叶片精密铸造的陶瓷型芯的3D打印研究,包括英国拉夫堡大学、法国3DCERAM公司、奥地利Lithoz公司以及国内清华大学、西北工业大学、华中科技大学、中国科学院金属研究所、西安国宏天易公司、安徽应流公司等。然而,目前相关研究仍较初步,尤其是,3D打印的陶瓷型芯距离实际工程应用仍存在一定差距,较多关键技术仍需突破、相关机理亟待揭示。

关注点

陶瓷模具在涡轮叶片的铸造过程中扮演着重要角色,当前可以关注的包括以下几点:

1 增材制造技术在单晶涡轮叶片成形中的应用,特别是与熔模铸造的结合,提高了制造的灵活性,并加速了叶片的研制和生产过程。

2 陶瓷型芯在熔模精密铸造中具有独特优势,能够制造出尺寸精度高、表面质量好的复杂结构单晶铸件。

3 陶瓷型芯的结构复杂性对涡轮叶片的型面尺寸精度有显著影响,通过数值模拟方法可以分析其影响规律,并为模具优化提供量化依据。

4 一些公司,如Honeywell-霍尼韦尔,正在利用陶瓷3D打印技术生产涡轮叶片模具,这有助于开发下一代涡扇发动机。

5 国内西安国宏天易智能科技有限公司已经将3D打印陶瓷型芯铸造技术应用于高压涡轮导向叶片的生产。

6 光固化3D打印技术在制备涡轮发动机空心叶片用的陶瓷型芯方面取得了研究进展,这种技术能够满足陶瓷型芯的性能要求并克服制备难点。

7 涡轮叶片制造中,合金与陶瓷模具的界面反应机理对叶片的表面质量和使用性能至关重要,深入研究这一机理有助于提高叶片的质量和生产良率。

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