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中国科学技术大学材料学院(中科院金属所)李金国 周亦胄 孙晓峰:《航空发动机空心涡轮叶片陶瓷型芯的立体光刻3D打印》

中国科学技术大学材料学院(中科院金属所)李金国 周亦胄 孙晓峰:《航空发动机空心涡轮叶片陶瓷型芯的立体光刻3D打印》

  • 分类:资讯中心
  • 发布时间:2022-06-07 13:41
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【概要描述】

中国科学技术大学材料学院(中科院金属所)李金国 周亦胄 孙晓峰:《航空发动机空心涡轮叶片陶瓷型芯的立体光刻3D打印》

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中空高温合金或单晶高温合金涡轮叶片是第五代及以上战斗机先进航空发动机最重要的部件。涡轮进口温度对推重比的影响很大,这对涡轮叶片在高温工况下的性能有严格的要求。为了降低叶片的工作温度,需要复杂的内部冷却结构。然而,叶片内部复杂冷却通道的制造无疑是一项具有挑战性的任务。

近日,中国科学技术大学李金国 周亦胄 孙晓峰课题组,提出了一种基于数字光处理的高性能选择性光固化氧化硅陶瓷3D打印方法,用于生产固体载荷为60 vol%的多层双壁陶瓷芯。首先,制备了固体含量为60 vol%、流变性好、光聚合能力好的陶瓷悬浮液。接下来,SLA-3DP工艺参数进行了优化,每-性能的烧结陶瓷芯被评估系统研究——显微结构的进化,裂缝数量,25 C室温和1550摄氏度高温抗弯强度、收缩,孔隙度随着烧结温度的函数。通过对高通量样品的系统表征,建立了一套研究、评价和预测SLA-3DP陶瓷芯的成分设计、工艺优化、微观结构、性能和缺陷分析的系统。最后,成功制备了双壁陶瓷芯,铸造了单晶空心涡轮叶片。这种高通量样品的系统表征可以指导空心涡轮叶片陶瓷芯的进一步研究和开发。

 

 

 

 

图1。A.双壁陶瓷芯的不同视角;B.打印机出3D打印陶瓷芯方案;C.双层壁陶瓷切片层核心;D.零件下滑移边界流型格式嵌入,具有代表性的实验观察流型;E.光聚合过程:度转换和暴露的关系;F.开发的陶瓷芯悬浮液与公开报道的悬浮液的比较。

 

 

 

图2所示。A.熔融二氧化硅粉和氧化锆粉的微观结构和粒度分布;B. 60 vol%高固体载荷陶瓷芯悬浮液;c .流粘度曲线与陶瓷芯悬浮液剪切速率的函数关系(剪切速率从130 s开始变化−1 ~ 0.5 s−1); D.陶瓷芯的FTIR光谱悬架;E. 60 vol%高固体负载陶瓷芯悬浮液在反射模式下的紫外吸收;F.光强对固化深度和尺寸的影响选择最佳的SLA-3DP参数;G.系统分析了高通量SLA-3DP陶瓷芯样的性能数据指导双壁陶瓷芯制备单晶空心航空发动机叶片的开发与应用。

 

 

 

 

图3所示。A. SLA-3DP 60 vol%高固体载荷陶瓷芯坯的TG-DTA曲线;B.脱脂和烧结工艺概况;c .室温不同烧结温度下SLA-3DP陶瓷芯样的XRD谱图D. 1100烧结SLA-3DP陶瓷芯样品的室温XRD谱图,在1550℃下进行弯曲强度试验后,温度分别为1150、1200和1250℃;E SLA-3DP陶瓷芯样的25℃室温和1550℃高温抗弯强度在1100、1150、1200和1250℃烧结;F收缩率与烧结温度1100、1150、1200、1250℃的关系;体积密度与烧结的关系温度1100、1150、1200、1250℃;H在1100、1150、1200、1250℃烧结的SLA-3DP陶瓷芯样品的开放孔隙率;裂缝的数量在1100、1150、1200和1250℃不同温度下烧结的SLA-3DP陶瓷芯样品。

 

 

 

 

图4所示。不同空间位置的SEM图像显示了SLA-3DP陶瓷芯的典型显微组织特征,如大晶粒、裂纹、孔隙和裂纹扩展在1100℃、1150℃、1200℃和1250℃下烧结的样品。答:表面微观结构;B.点弯曲强度试验后的断裂微观结构室温;C. 1550℃弯曲强度试验后不同放大倍率的表面微结构;D.弯曲后不同放大倍数的断口强度测试在1550°C。

 

 

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图5所示。A.一些代表性性能和关键工艺参数的雷达图:室温弯曲强度(MPa)、堆积密度(g cm)参数优化实现应用;B.裂纹数、室温弯曲强度、高温弯曲强度、收缩率、以及不同烧结温度下的孔隙率。本文所获得的SLA-3DP型陶瓷芯的性能数据和工艺参数可以预测和指导陶瓷芯的性能选择最有效的工艺参数;C.应用的基于立体光刻的陶瓷芯三维印刷相关的主要挑战单晶空心航空发动机叶片的制备。

 

该研究成果为光固化3D打印型芯提供了新的研究思路,以“Stereolithography 3D printing of ceramic cores for hollow aeroengineturbine blades” 为题发表在Journal of Materials Science &Technology(IF=8.1)。

 

 

 

论文原文链接为:https://doi.org/10.1016/j.jmst.2022.01.042。

 

 


 

 

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