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清華大學摩擦學國家重點實驗室呂志剛課題組在陶瓷增材制造領域取得新進展

近日,清華大學摩擦學國家重點實驗室呂志剛課題組在陶瓷增材制造研究上取得新進展。他們利用光固化陶瓷增材制造技術制備復雜陶瓷型芯并進行了單晶葉片澆注驗證,型芯性能滿足單晶葉片的澆注要求。相關成果以《復雜陶瓷型芯增材制造及澆注工藝驗證》為題,于2021年2月發表在中國機械工程領域的頂級學術刊物《機械工程學報》上,并被選為封面文章。


熔模鑄造是航空發動機空心渦輪葉片的核心成形工藝,而陶瓷型芯是獲得葉片內腔的重要基礎。由于葉片冷卻效率提升的需要,葉片內腔結構日趨復雜,而對應的陶瓷型芯結構也從單層向多層發展,傳統的模具成形方法面臨挑戰。該課題組利用光固化陶瓷增材制造技術,發揮其高精度、高表面質量等優勢,實現了具有多層結構的、尺寸超過100 mm的復雜陶瓷型芯成形,對其綜合性能進行了表征,并完成了單晶葉片的澆注驗證。


1 光固化陶瓷增材制造設備原理

2 復雜型芯坯體的增材制造過程

圖3  復雜陶瓷型芯坯件尺寸精度掃描對比圖

圖4澆注驗證:(a)鑄型;(b)澆注的空心葉片

論文根據硅基陶瓷型芯的性能要求和光固化增材制造的成形特點,從材料、打印工藝、脫脂燒結工藝、性能檢測及澆注驗證多方面開展工作。首先設計了硅基型芯用光固化陶瓷漿料配方和脫脂燒結工藝,并對該材料的燒結性能進行了充分的檢測和表征;其次,建立打印過程中坯件的受力模型并揭示影響其變形的主要因素,分析了不同工藝參數對漿料涂層厚度的影響規律。最后利用制備的多層復雜陶瓷型芯完成了實際工況下的單晶葉片的澆注驗證。

本文第一作者為胡可輝博士,呂志剛研究員為通訊作者,論文合作者還包括北京十維科技有限責任公司工程師陸寬和中國科學院金屬研究所梁靜靜副研究員。該研究工作得到了國家重點研發計劃的資助。


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