空心葉片快速成型技術(shù)的發(fā)展

發(fā)動(dòng)機(jī)葉片是動(dòng)力設(shè)備的重要部件。它的結(jié)構(gòu)和材料的不斷改進(jìn)是提高能源利用率，通用設(shè)備（如飛機(jī)）和產(chǎn)品（如飛機(jī)）的關(guān)鍵。由于其處于溫度最高、應(yīng)力最復(fù)雜、環(huán)境最惡劣的部位而被列為第一關(guān)鍵件,并被譽(yù)為“王冠上的明珠”。因此,其制造技術(shù)成為國(guó)內(nèi)外近20年來(lái)極為關(guān)注的重大技術(shù)問(wèn)題。科學(xué)家與工程技術(shù)人員一直在不懈地探索葉片設(shè)計(jì)、材料與制造的科學(xué)原理和實(shí)現(xiàn)技術(shù)。渦輪葉片的性能水平(特別是承溫能力)成為熱動(dòng)力設(shè)備先進(jìn)程度的重要標(biāo)志,從某種意義上講,也是制造技術(shù)水平的顯著標(biāo)志之一。隨著我國(guó)對(duì)能源和動(dòng)力裝備發(fā)展的高效節(jié)能需求不斷增長(zhǎng),葉片制造已經(jīng)成為我國(guó)熱動(dòng)力機(jī)械發(fā)展的主要瓶頸。隨著葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)日趨復(fù)雜和對(duì)材料熱性能要求的提高,傳統(tǒng)的葉片制造方法受材料與制造技術(shù)的制約,已難以滿足新型葉片的制造要求。鑄造模具設(shè)計(jì)與成型工藝為解決葉片承溫能力差和熱強(qiáng)度低的問(wèn)題,制造技術(shù)基本上沿著冷卻結(jié)構(gòu)制造和葉片材料高溫性能提高2個(gè)方向發(fā)展。在復(fù)雜冷卻結(jié)構(gòu)的成形方面,近幾年美國(guó)與俄羅斯采用了發(fā)汗冷卻和層板冷卻技術(shù),進(jìn)一步提高了冷卻效率;但是如何高質(zhì)量低成本地制造出用于發(fā)汗冷卻的雙層壁已成為制約這種冷卻技術(shù)的一個(gè)主要因素。此外,冷卻介質(zhì)也發(fā)生著變化:由空氣冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)榭諝夂驼羝p工質(zhì)冷卻。雙工質(zhì)冷卻方式的發(fā)展,對(duì)葉片制造又提出了新的挑戰(zhàn),即如何制造出2套空間交錯(cuò)的冷卻通道。渦流冷卻和氣膜使得結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜,特別在葉片的壁厚和微細(xì)流道上,目前的發(fā)汗冷卻葉片對(duì)壁厚和氣流道的要求在0.5mm數(shù)量級(jí),因此在制造技術(shù)上就要完成多尺度的結(jié)構(gòu)制造(葉片的外形和微小的流道結(jié)構(gòu)),這給制造技術(shù)提出了巨大的挑戰(zhàn)。目前渦輪葉片的主要制造工藝是熔模鑄造。其工藝流程主要包括型芯模具的設(shè)計(jì)與制造、壓制型芯、蠟?zāi)Ｄ＞叩脑O(shè)計(jì)與制造、裝配注蠟、涂漿制殼、干燥型殼、脫蠟、燒結(jié)、澆注金屬、脫芯、激光打孔等環(huán)節(jié)。該工藝在大批量生產(chǎn)渦輪葉片方面有成形精度高、尺寸穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),但仍有以下幾方面的不足:產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、成本高;工藝過(guò)程復(fù)雜,控制難度大,不利于產(chǎn)品的更新?lián)Q代;難以實(shí)現(xiàn)空間交錯(cuò)的空心葉片的制造;型芯型殼分開(kāi)成形,裝配時(shí)易產(chǎn)生定位誤差,葉片易穿孔,成品率低。為了制造具有空間交錯(cuò)特點(diǎn)的冷卻通道,俄羅斯全俄航空材料研究院提出了型芯鑲嵌技術(shù),它的特點(diǎn)是雙層壁,葉身上的細(xì)孔完全由組合的陶瓷型芯形成。但是型芯鑲嵌技術(shù)存在很多難點(diǎn),例如需開(kāi)發(fā)數(shù)量眾多的用于制作細(xì)小型芯的模具;鑲嵌組合過(guò)程中,不易準(zhǔn)確定位,組合難度大等。為了實(shí)現(xiàn)發(fā)汗冷卻技術(shù),美國(guó)Allison公司開(kāi)發(fā)了鑄造冷卻Lamilloy技術(shù),Lamilloy層板在金屬片上刻蝕出孔和通道,然后把金屬片焊接在一起,形成高效冷卻的層板合金。美國(guó)GE公司采用先制造出單晶空心并且?guī)Ю鋮s通道的葉片框架,然后用可清除掉的填充劑充填冷卻通道,接著用電子束物理氣相沉積(EB—PVD)的方法形成表面層,最后將充填劑除掉,就形成了空心、雙層壁的發(fā)汗冷卻葉片。這種制造方法在沉積的表面層中,疏松高達(dá)7%,這一問(wèn)題目前還沒(méi)有解決;此外,空心葉片骨架的材料和沉積的表面層材料的熱膨脹不一致,易導(dǎo)致葉片斷裂。隨著快速成型技術(shù)在精密鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展,可以用快速成型制造的原型替代蠟型,在其表面上涂掛耐火材料,然后焙燒,使原型材料燒蝕氣化后得到鑄殼,用于金屬零件的燒注成形?？焖俪尚图夹g(shù)也被用于直接成型陶瓷鑄型。例如:DTM公司研制了包覆樹(shù)脂的陶瓷粉末材料用選擇激光燒結(jié)(SLS)工藝成形并經(jīng)后處理,制成了用于熔模鑄造的陶瓷型殼。德國(guó)Generis公司的工藝路線是將砂粒鋪平之后,先用多通道噴頭向砂床均勻噴灑樹(shù)脂,然后由一個(gè)噴頭依據(jù)輪廓路徑噴射催化劑,催化劑遇樹(shù)脂后會(huì)發(fā)生膠聯(lián)反應(yīng),使鑄型層層固化堆積成形。美國(guó)Soligen公司根據(jù)三維打印(3DP)原理開(kāi)發(fā)的直接型殼鑄造工藝以陶瓷粉末為造型材料,粘結(jié)劑選用硅溶膠。這種技術(shù)無(wú)需任何模具、夾具,可以快速成型復(fù)雜形狀的陶瓷鑄型;但是,用這種技術(shù)成型的鑄型尺寸精度、表面質(zhì)量以及鑄型的中高性能不高,不能滿足葉片鑄造的要求。西安交通大學(xué)結(jié)合葉片熔模鑄造技術(shù)、快速成型技術(shù)、凝膠注模技術(shù),提出了空心渦輪葉片整體式陶瓷鑄型鑄造工藝。整體式陶瓷鑄型是指型芯型殼使用相同的材料,同時(shí)成形,無(wú)需組合裝配。這些都為復(fù)雜空心葉片制作探索了新的工藝方法。成型工藝及特點(diǎn)光固化快速成形(Stereolithography,SL)技術(shù)是目前快速成形技術(shù)中,成形精度最高的方法?？招娜~片內(nèi)外結(jié)構(gòu)一體化制造工藝的具體流程如圖1所示。具體包括:(1)在葉片三維模型的基礎(chǔ)上加上控制坯體外型的外殼、冷澆注系統(tǒng)和熱澆注系統(tǒng),冷澆注系統(tǒng)用于陶瓷漿料灌注,熱澆注系統(tǒng)用于澆注高溫合金。(2)采用SL技術(shù)成型上述樹(shù)脂原型。(3)將配好的陶瓷漿料灌入樹(shù)脂中成型。(4)進(jìn)行陶瓷坯體干燥,脫脂,燒結(jié)。(5)燒注金屬。(6)去殼,脫芯。與傳統(tǒng)熔模鑄造相比,這種新工藝具有以下特點(diǎn):(1)可以成型任意復(fù)雜的、具有空間交錯(cuò)特征的葉片內(nèi)腔。由于型芯是利用樹(shù)脂原型來(lái)成型,而不是用傳統(tǒng)的金屬模具來(lái)壓制的,使得型芯可以不受金屬模具的限制而任意成型。(2)整體式陶瓷鑄型,型芯型殼使用相同的材料,同時(shí)成型,無(wú)需組合裝配。這樣可避免傳統(tǒng)工藝中由于陶瓷型芯與型殼熱膨脹率的差異而導(dǎo)致的陶瓷型芯受力斷裂、變形或者偏芯等缺陷,同時(shí)避免由組裝帶來(lái)的誤差及偏芯與穿孔的現(xiàn)象。(3)由光固化快速成型機(jī)直接成型樹(shù)脂模具來(lái)代替,無(wú)需設(shè)計(jì)制作型芯壓制模具和蠟?zāi)Ｄ＞?。這樣可以快速開(kāi)發(fā),簡(jiǎn)化工藝,降低成本,不受模具、夾具限制,易于更新?lián)Q代。(4)型芯型殼一次成形,不用多次涂掛,這樣既減少了制殼時(shí)間,又不會(huì)因澆注時(shí)產(chǎn)生的溫差使型殼面層開(kāi)裂并跟背層脫開(kāi)。(5)可以直接成型氣膜孔,并成型異形氣膜孔。這樣可省去激光打孔工藝,且做出激光打孔無(wú)法做出的異形孔。試驗(yàn)與研究1生成模具的內(nèi)部冷卻通道利用光固化技術(shù)為凝膠注模成型提供包含有燃?xì)廨啓C(jī)葉片原型樹(shù)脂模具,燃?xì)廨啓C(jī)葉片原型是樹(shù)脂模具中最重要的部分,其內(nèi)部設(shè)計(jì)有復(fù)雜的冷卻通道。燃?xì)廨啓C(jī)葉片原型既可作為型殼制造的模型,又可作為陶瓷型芯成形模具。樹(shù)脂模殼與燃?xì)廨啓C(jī)葉片原型組合形成模具型腔,在樹(shù)脂模殼上設(shè)計(jì)有底注式陶瓷漿料注入系統(tǒng),陶瓷漿料可通過(guò)該系統(tǒng)平穩(wěn)地注入模具型腔和燃?xì)廨啓C(jī)葉片內(nèi)部的冷卻通道中。金屬澆注系統(tǒng)原型用于制備陶瓷型澆注系統(tǒng),從而引導(dǎo)高溫金屬液順利地注入陶瓷鑄型中。2動(dòng)性陶瓷漿料陶瓷漿料是整體式陶瓷鑄型的制造基礎(chǔ)。一方面,陶瓷漿料要具有較小的粘度和良好的流動(dòng)性,以保證漿料充滿復(fù)雜的模具型腔,特別是細(xì)小內(nèi)部冷卻通道,一般要求陶瓷漿料的粘度不大于IPa·s;另一方面,為了保證陶瓷鑄型的綜合性能滿足葉片定向凝固、單晶鑄造工藝的要求,在保證成形工藝性的同時(shí),應(yīng)選擇合適的基體材料、礦化劑以及粒度配比。3微波干燥并進(jìn)行凍干工藝被樹(shù)脂原型包裹的陶瓷坯體試樣,僅兩端不封閉,與空氣直接作用的陶瓷坯體表面積小,利用對(duì)流干燥,效率較低。對(duì)比空氣中(35℃)和真空環(huán)境下(10Pa～100a)陶瓷坯體試樣干燥失水率,結(jié)果表明:真空干燥4.5h后,陶瓷坯體失去了82.88%的水分,而空氣干燥陶瓷坯體僅失水7.85%。這是因?yàn)檎婵崭稍镞^(guò)程減小了周圍空氣對(duì)陶瓷坯體的壓力,水分能夠比較容易地遷移到坯體表面,同時(shí),真空干燥降低了水的沸點(diǎn),加快了蒸發(fā)速度。研究了微波干燥的效果,微波干燥在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的水蒸汽無(wú)法及時(shí)排出,易使陶瓷坯體產(chǎn)生爆裂性裂紋;同時(shí),過(guò)高的溫度會(huì)使樹(shù)脂原型發(fā)生熱變形,影響坯體精度和形狀。但真空干燥與對(duì)流干燥一樣,對(duì)于水基陶瓷漿料(如v=55%)存在較大的干燥收縮率,因此,仍未解決坯體由于收縮受限而產(chǎn)生的開(kāi)裂問(wèn)題。為了降低干燥收縮率并保證被樹(shù)脂模具包裹的細(xì)長(zhǎng)型芯干透,本研究將凍干技術(shù)應(yīng)用到陶瓷鑄型制備過(guò)程中,并初步制訂了凍干工藝。具體步驟為:先在-45℃將物料預(yù)凍,使坯體中水分迅速結(jié)成冰晶,然后抽真空并給坯體供給熱能(始終將坯體控制在液相共晶點(diǎn)(-3.8℃)以下-2℃～-5℃),使坯體中的冰直接升華。由于陶瓷鑄型坯體中的水分直接由固態(tài)升華,沒(méi)有毛細(xì)作用力(干燥收縮驅(qū)動(dòng)力),從而基本消除了干燥收縮(v=55%,收縮率僅為0.2%～0.3%),可以保持坯體原有的結(jié)構(gòu)和形態(tài)。4熱應(yīng)力的影響及對(duì)策陶瓷鑄型坯體焙燒過(guò)程中不僅需要熱解脫除SIL原型和其中的有機(jī)物,而且要燒結(jié)陶瓷鑄型,使之具有一定的室溫抗彎強(qiáng)度。不同焙燒溫度下陶瓷鑄型坯體的室溫抗彎強(qiáng)度變化曲線如圖2所示。起初,由于聚丙烯酰胺的三維網(wǎng)狀有機(jī)物的存在,陶瓷鑄型坯體具有加工的室溫抗彎強(qiáng)度達(dá)到12MPa,但隨著溫度升高,聚丙烯酰胺不斷熱解,強(qiáng)度會(huì)隨溫度的升高而快速降低,300℃時(shí)陶瓷鑄型坯體室溫抗彎強(qiáng)度下降到1.5MPa,隨后會(huì)更低,出現(xiàn)低強(qiáng)度區(qū)域(在500℃～900℃范圍內(nèi)僅為0.1MPa～0.3MPa),此時(shí)僅僅依靠陶瓷顆粒本身堆積密度維持鑄型結(jié)構(gòu)。以上研究表明:300℃之后,SL樹(shù)脂原型已經(jīng)碳化,不再會(huì)對(duì)鑄型產(chǎn)生較大的膨脹力。因此,為了安全地焙燒出SL樹(shù)脂原型,防止型殼開(kāi)裂,在達(dá)到30(0℃以前應(yīng)采取緩慢加熱工藝(2(0℃/h～3(0℃/h),防止過(guò)大的熱應(yīng)力產(chǎn)生,另外通過(guò)在陶瓷漿料中添加2%～3%的聚酰胺亞(PI)來(lái)提高坯體在300℃時(shí)的抗彎強(qiáng)度,避免鑄型開(kāi)裂。加入PI和礦化劑(氧化鎂、氧化釔微粉)后的陶瓷坯體室溫抗彎強(qiáng)度隨溫度變化曲線如圖3所示。PI是一種熱固性樹(shù)脂粉末,加熱到100℃左右時(shí),開(kāi)始軟化流動(dòng),繼續(xù)加熱后會(huì)發(fā)生交聯(lián)固化;在500℃時(shí)開(kāi)始分解,600℃時(shí)加熱24h,失重僅為20%。因此,可以保證陶瓷鑄型在400℃溫度仍有較高的強(qiáng)度(1.6MPa),而在300℃時(shí)的強(qiáng)度為5.3MPa。在低強(qiáng)度區(qū)域,由于沒(méi)有填充材料支撐,陶瓷鑄型內(nèi)部型芯在自重的作用下極易坍塌,因此應(yīng)采取相應(yīng)的工藝措施,使零強(qiáng)度區(qū)域變窄。如前所述,加入PI可以延緩有機(jī)物的燒蝕速度;另外,通過(guò)加入少量的礦化劑微粉,可在一定程度上降低電熔剛玉陶瓷坯體的燒結(jié)溫度,也可減小低強(qiáng)度溫度區(qū)(域?qū)挕Ｔ?00℃左右,陶瓷坯體抗彎強(qiáng)度開(kāi)始有所恢復(fù),在1050℃達(dá)到了1.2MPa,主要原因是90℃～1200℃之間電熔剛玉中細(xì)小顆粒開(kāi)始融合,并與氧化鎂、氧化釔結(jié)合生成了多晶相MgAl2O4和3Y2O3·5Al2O3,它們分布在大顆粒未燒結(jié)的電熔剛玉顆粒間,使之相互間有一定的融合,陶瓷鑄型具有一定的抗彎強(qiáng)度,從而保證陶瓷鑄型的整體性。通過(guò)采取快速燒結(jié)工藝,以420℃/h～540℃/h的升溫速率快速通過(guò)500℃～900℃低強(qiáng)度區(qū)域,迅速建立燒結(jié)強(qiáng)度,防止內(nèi)部復(fù)雜的陶瓷型芯坍塌,是一種行之有效的辦法。整個(gè)焙燒工藝(見(jiàn)圖4)可以分成2個(gè)階段:在300℃之前緩慢焙燒脫除樹(shù)脂模具,300℃之后快速燒結(jié),如圖5所示,陶瓷鑄型實(shí)例,其內(nèi)部型芯連接完好。5浸漬強(qiáng)化對(duì)陶瓷鑄型高溫性能的影響整體式陶瓷鑄型材料成份確定之后,其燒成工藝性和綜合性能主要取決于燒結(jié)工藝(即終燒溫度、保溫時(shí)間、升溫速率),提高整體式陶瓷鑄型的燒成率是制定燒結(jié)工藝的基礎(chǔ)。應(yīng)嚴(yán)格控制燒成收縮率,使之小于1%,同時(shí)獲得一定的室溫抗彎強(qiáng)度(一般大于10MPa),以便于清理SL原型燒蝕后留下的灰燼,并保證其具有一定的高溫性能。陶瓷鑄型性能測(cè)試方法參照航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HB5353.1—2004。燒成收縮率和室溫抗彎強(qiáng)度隨著終燒溫度變化曲線如圖6所示,可以發(fā)現(xiàn),隨著燒結(jié)溫度的升高,燒成收縮率和室溫抗彎強(qiáng)度也逐漸增大。當(dāng)燒結(jié)溫度高于1600℃時(shí),燒成收縮率超過(guò)了1.2%,影響了陶瓷鑄型的完整性;當(dāng)燒結(jié)溫度低于1500℃時(shí),室溫抗彎強(qiáng)度小于10MPa。另外,考慮到礦化劑反應(yīng)溫度,試驗(yàn)中確定1550℃為終燒溫度,此時(shí)燒成收縮率小于1%,而室溫抗彎強(qiáng)度大于10MPa。為滿足定向凝固和單晶澆注工藝要求的高溫型殼與型芯強(qiáng)度,課題組提出浸漬釔溶膠和二次燒結(jié)強(qiáng)化處理工藝,改善其高溫性能。未強(qiáng)化處理、空氣浸漬、真空下浸漬、真空下二次浸漬在1550℃下的抗彎強(qiáng)度和撓度對(duì)比如圖7、8所示。真空二次浸漬強(qiáng)化處理后,高溫抗彎強(qiáng)度由原來(lái)的1.0MPa提高至3.2MPa,而高溫?fù)隙扔稍瓉?lái)的3.0mm下降至0.8mm,達(dá)到了燃?xì)廨啓C(jī)葉片定向凝固、單晶鑄造工藝要求。通過(guò)X-ray分析發(fā)現(xiàn),高溫性能之所以得到改善是因?yàn)橥ㄟ^(guò)強(qiáng)化處理增加了釔鋁石榴石的相對(duì)含量(真空二次浸漬后由6%～9%提高17%～20%),而減少了氧化鋁的相對(duì)含量(由77%～82%降低至69%～71%),釔鋁石榴石在未融化的粗大顆粒氧化鋁之間形成強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò),阻礙了低熔點(diǎn)的玻璃相流動(dòng),從而改善了陶瓷鑄型的高溫性能。表1為自制整體式陶瓷鑄型綜合性能指標(biāo),AC-1是北京航空材料研究院研制的型殼材料性能。樹(shù)脂模型向陶瓷鑄型及渦輪葉片精密鑄件轉(zhuǎn)換的方法可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)外結(jié)構(gòu)同時(shí)成型,包括葉片身上的小孔和雙層壁孔?？梢钥闯?渦輪葉片精度和表面質(zhì)量還有待進(jìn)一步提高。帶有變截面氣膜孔的燃?xì)廨啓C(jī)葉片精密鑄件的內(nèi)壁面是橢圓型,外壁面是矩形,該結(jié)構(gòu)具有更好的冷卻氣膜冷卻效果。陶瓷漿料組成的研究(1)以光固化樹(shù)脂原型為基礎(chǔ),結(jié)合凝膠注模成形技術(shù),用于精密成形燃?xì)廨啓C(jī)葉片的型殼型芯整體式陶瓷鑄型制造方法,實(shí)現(xiàn)了激光固化樹(shù)脂原型向金屬葉片的快速轉(zhuǎn)換,克服了傳統(tǒng)陶瓷鑄型組合式制造工藝的缺點(diǎn),保證型芯、型殼相互間的位置精度,提高了薄壁葉片生產(chǎn)合格率;同時(shí),省去了型芯坯體脫模、型芯和蠟?zāi)盒突蛐托局g組合等工藝環(huán)節(jié),簡(jiǎn)化了復(fù)雜葉片制造工藝。(2)提出了濕態(tài)陶瓷坯體冷凍干燥工藝,獲得了近零的干燥收縮工藝措施,避免了干燥應(yīng)力和裂紋的產(chǎn)生,揭示了其