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自20世紀(jì)40年代進(jìn)入噴氣時(shí)代以來(lái),，伴隨著人們對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推重比需求的提高，航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)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(jié)構(gòu)的應(yīng)用,，而支撐這些結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)就是一些新材料與制造技術(shù)的發(fā)展與使用。

隨著航空技術(shù)的發(fā)展,，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的要求越來(lái)越高,。數(shù)據(jù)顯示航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度每提高100度，在發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸不變的條件下,，推重比可以增加10%,。渦輪前溫的提高對(duì)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(jìn)口溫度不斷提高,，對(duì)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(jié)構(gòu)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(jīng)難以滿(mǎn)足先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展,。

追求高推重比意味著航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度的不斷提高。比如,，現(xiàn)有推重比10級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口溫度均達(dá)到了1500℃,，推重比12~15的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口平均溫度將超過(guò)1800℃以上，這遠(yuǎn)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(dá)到1100℃左右。而碳化硅基復(fù)合材料使用溫度能提高到1600℃以上,，被認(rèn)為是最理想的航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端結(jié)構(gòu)件材料,。

碳化硅陶瓷強(qiáng)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(dòng)機(jī)制造中,，但其脆性大，抗沖擊性能弱,，易折斷開(kāi)裂,，因此應(yīng)用受到限制。由升華三維推出的碳化硅陶瓷復(fù)合材料UPGM－SIC,，在碳化硅陶瓷優(yōu)勢(shì)性能的基礎(chǔ)上,，其抗沖擊、抗開(kāi)裂性能得到大幅提升,，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端結(jié)構(gòu)件首選材料,，在航空航天領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)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(fù)合材料,，呈灰色,，粒徑在8-14目的近球形顆粒?？捎糜谏a(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,、大尺寸,、輕量化,、一體化制備的陶瓷部件?？蓱?yīng)用于航空航天,、國(guó)防軍工、汽車(chē)工業(yè),、核工業(yè),、機(jī)械制造等領(lǐng)域,。

碳化硅作為性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)陶瓷材料，可制備成輕質(zhì),、高強(qiáng)度,、高尺寸，且性能穩(wěn)定的碳化硅陶瓷部件,。對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)用渦輪熱端部件來(lái)說(shuō),，通常具有盤(pán)心厚、葉片薄的梯度結(jié)構(gòu)特點(diǎn),，并且為了更高的氣動(dòng)效率,，葉片通常具有高度復(fù)雜的三維曲面，這使渦輪轉(zhuǎn)子的制備工藝?yán)щy,、研發(fā)周期漫長(zhǎng),。一般都依賴(lài)模具或者包含大量的機(jī)械加工，而精密模具的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)將導(dǎo)致成本十分高昂,，機(jī)械加工則面臨著無(wú)法進(jìn)刀或易開(kāi)裂問(wèn)題,。因此，如何快速,、低成本,、近凈尺寸地制造渦輪轉(zhuǎn)子是真正的難點(diǎn)。

而３D打印技術(shù)的數(shù)字化,、無(wú)模成型可以彌補(bǔ)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(shū)寫(xiě)（DIW）、激光打?。⊿LS）,、粘結(jié)劑噴射（BJP）、立體光刻（SLA）,。但BIW墨水中的固相含量太低,，會(huì)導(dǎo)致陶瓷坯體致密度較低；SLS在燒結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力難以避免產(chǎn)生裂紋,，導(dǎo)致最終產(chǎn)品力學(xué)性能較差,、且激光設(shè)備成本較高；而B(niǎo)JP限制了粉末填充密度,，導(dǎo)致SiC體積分?jǐn)?shù)受限,；SLA雖然能夠制備出高強(qiáng)度、高精度,、高結(jié)構(gòu)均一性和復(fù)雜性的陶瓷坯體,，但由于碳化硅的吸光特性，導(dǎo)致其在制備碳化硅部件時(shí)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(wèn)題。

粉末擠出打印技術(shù)（PEP）是由升華三維國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的將“3D打印+粉末冶金”相結(jié)合的金屬/陶瓷間接3D打印技術(shù),。PEP技術(shù)作為一項(xiàng)顛覆性的陶瓷材料成型技術(shù)，其不需要模具和機(jī)械加工,，可以實(shí)現(xiàn)近凈尺寸成型大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(diǎn)，采用公司的核心打印設(shè)備UPS-556,，結(jié)合UPGM-SIC顆粒材料,，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)部件的一體化成型，打印出具有一定強(qiáng)度和密度的生坯,；再匹配PEP的脫脂燒結(jié)工藝,，從而得到致密化的結(jié)構(gòu)部件。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪熱端部件應(yīng)用上,，升華三維成功制備的渦輪葉盤(pán)直徑達(dá)到了600ｍｍ,，且可滿(mǎn)足高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)高溫部件的性能要求，可使發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度提高300～500℃,，結(jié)構(gòu)減重50％～70％,，推力提高30％～100％。在保證渦輪整體葉盤(pán)應(yīng)力滿(mǎn)足材料許用應(yīng)力的條件下,，減輕渦輪整體葉盤(pán)的重量,，可以減輕航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重量，提高材料的利用率,，并提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比,。對(duì)于促進(jìn)先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造發(fā)展有著重大意義。

▲UPS-556打印的SIC渦輪葉盤(pán)樣品（來(lái)源：升華三維）

航空航天產(chǎn)業(yè)是國(guó)家制造業(yè)實(shí)力的體現(xiàn),。航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提高主要依賴(lài)于結(jié)構(gòu)和材料的發(fā)展,，而結(jié)構(gòu)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(jìn)技術(shù)的發(fā)展歷程來(lái)看,，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)及材料使用趨向于整體化,、輕質(zhì)化。作為中國(guó)金屬·陶瓷間接3D打印技術(shù)的開(kāi)拓者,，升華三維一直致力于該項(xiàng)技術(shù)的推廣及應(yīng)用,。目前已具備了碳化硅基復(fù)合材料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件一體化、輕量化制備能力,。PEP技術(shù)有望迭代傳統(tǒng)陶瓷制造工藝,，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪熱端部件制造提供新方法。另外,，PEP技術(shù)的粉末擠出打印方式及其配套的顆粒打印材料具有應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)航空制造業(yè)的優(yōu)勢(shì),，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(dòng)的市場(chǎng)潛力,。