自20世紀40年代進入噴氣時代以來,，伴隨著人們對發(fā)動機推重比需求的提高，航空發(fā)動機技術得到了飛速發(fā)展，它每一次的更新?lián)Q代都伴隨著一些新結構的應用，而支撐這些結構的基礎就是一些新材料與制造技術的發(fā)展與使用。
隨著航空技術的發(fā)展,，對航空發(fā)動機推重比的要求越來越高。數據顯示航空發(fā)動機渦輪前溫度每提高100度,，在發(fā)動機尺寸不變的條件下,，推重比可以增加10%。渦輪前溫的提高對燃燒室,、渦輪以及加力燃燒室等熱端部件的材料提出了更高的要求,。隨著渦輪進口溫度不斷提高，對現(xiàn)有高溫合金材料體系提出了挑戰(zhàn),。而傳統(tǒng)的熱端部件結構材料主要是鎳基高溫合金,，但因其工作溫度受到理論限制，顯然已經難以滿足先進航空發(fā)動機技術的發(fā)展,。
SIC在航空航天具有廣闊應用前景
追求高推重比意味著航空發(fā)動機工作溫度的不斷提高,。比如，現(xiàn)有推重比10級的發(fā)動機渦輪進口溫度均達到了1500℃,，推重比12~15的發(fā)動機渦輪進口平均溫度將超過1800℃以上,，這遠超高溫合金及金屬間化合物的使用溫度。目前,，耐熱性能最好的鎳基高溫合金材料工作溫度只能達到1100℃左右,。而碳化硅基復合材料使用溫度能提高到1600℃以上，被認為是最理想的航空發(fā)動機熱端結構件材料,。
碳化硅陶瓷強度高,、硬度高、耐高溫,、抗氧化,、抗腐蝕，可替代高溫合金用于航空發(fā)動機制造中,，但其脆性大,，抗沖擊性能弱，易折斷開裂,，因此應用受到限制,。由升華三維推出的碳化硅陶瓷復合材料UPGM－SIC，在碳化硅陶瓷優(yōu)勢性能的基礎上,，其抗沖擊,、抗開裂性能得到大幅提升,，是航空發(fā)動機熱端結構件首選材料，在航空航天領域具有廣闊應用前景,。
▲升華三維UPGM-SIC陶瓷顆粒料
UPGM－SIC顆粒材料是一種陶瓷聚合物復合材料，呈灰色,，粒徑在8-14目的近球形顆粒,。可用于生產結構復雜,、大尺寸,、輕量化、一體化制備的陶瓷部件,�,？蓱糜诤娇蘸教�,、國防軍工,、汽車工業(yè)、核工業(yè),、機械制造等領域,。
SIC主流制造的難點和不足
碳化硅作為性能優(yōu)異的結構陶瓷材料，可制備成輕質,、高強度,、高尺寸，且性能穩(wěn)定的碳化硅陶瓷部件,。對于航空發(fā)動機用渦輪熱端部件來說,，通常具有盤心厚、葉片薄的梯度結構特點,，并且為了更高的氣動效率,，葉片通常具有高度復雜的三維曲面，這使渦輪轉子的制備工藝困難,、研發(fā)周期漫長,。一般都依賴模具或者包含大量的機械加工，而精密模具的開發(fā)設計將導致成本十分高昂,，機械加工則面臨著無法進刀或易開裂問題,。因此，如何快速,、低成本,、近凈尺寸地制造渦輪轉子是真正的難點。
而３D打印技術的數字化,、無模成型可以彌補傳統(tǒng)制造工藝的不足,。目前主要的SIC陶瓷３D打印方法有直接墨水書寫（DIW）,、激光打印（SLS）,、粘結劑噴射（BJP）,、立體光刻（SLA）。但BIW墨水中的固相含量太低,，會導致陶瓷坯體致密度較低,；SLS在燒結過程中產生的熱應力難以避免產生裂紋，導致最終產品力學性能較差,、且激光設備成本較高,；而BJP限制了粉末填充密度，導致SiC體積分數受限,；SLA雖然能夠制備出高強度,、高精度、高結構均一性和復雜性的陶瓷坯體,，但由于碳化硅的吸光特性,，導致其在制備碳化硅部件時仍存在諸多瓶頸。因此,，在提高碳化硅陶瓷的加工效率,、降低制備成本成為急需解決的問題。
粉末擠出打印,，為航空航天產業(yè)制造提供新方法
粉末擠出打印技術（PEP）是由升華三維國內首創(chuàng)的將“3D打印+粉末冶金”相結合的金屬/陶瓷間接3D打印技術,。PEP技術作為一項顛覆性的陶瓷材料成型技術，其不需要模具和機械加工,，可以實現(xiàn)近凈尺寸成型大型復雜結構件的一體化制造,，極大地縮短制造周期、降低制造成本,。PEP具有低溫成型,，高溫成性的特點，采用公司的核心打印設備UPS-556,，結合UPGM-SIC顆粒材料,，實現(xiàn)結構部件的一體化成型，打印出具有一定強度和密度的生坯,；再匹配PEP的脫脂燒結工藝,，從而得到致密化的結構部件。
在航空發(fā)動機渦輪熱端部件應用上,，升華三維成功制備的渦輪葉盤直徑達到了600ｍｍ,，且可滿足高推重比航空發(fā)動機對高溫部件的性能要求，可使發(fā)動機工作溫度提高300～500℃，結構減重50％～70％,，推力提高30％～100％,。在保證渦輪整體葉盤應力滿足材料許用應力的條件下，減輕渦輪整體葉盤的重量,，可以減輕航空發(fā)動機的重量,，提高材料的利用率，并提高發(fā)動機推重比,。對于促進先進航空發(fā)動機制造發(fā)展有著重大意義,。
▲UPS-556打印的SIC渦輪葉盤樣品（來源：升華三維）
航空航天產業(yè)是國家制造業(yè)實力的體現(xiàn)。航空發(fā)動機性能的提高主要依賴于結構和材料的發(fā)展,，而結構和材料的發(fā)展又與制造工藝具有密切的聯(lián)系。從航空推進技術的發(fā)展歷程來看,，發(fā)動機關鍵部件的結構及材料使用趨向于整體化,、輕質化。作為中國金屬·陶瓷間接3D打印技術的開拓者,，升華三維一直致力于該項技術的推廣及應用,。目前已具備了碳化硅基復合材料的復雜結構部件一體化、輕量化制備能力,。PEP技術有望迭代傳統(tǒng)陶瓷制造工藝,，為航空發(fā)動機渦輪熱端部件制造提供新方法。另外,，PEP技術的粉末擠出打印方式及其配套的顆粒打印材料具有應對傳統(tǒng)航空制造業(yè)的優(yōu)勢,，有助于零件在太空環(huán)境中制造，有可能成為地球低軌道商業(yè)活動的市場潛力,。
