自20世紀(jì)40年代進(jìn)入噴氣時代以來，伴隨著人們對發(fā)動機(jī)推重比需求的提高，航空發(fā)動機(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，對航空發(fā)動機(jī)推重比的要求越來越高。數(shù)據(jù)顯示航空發(fā)動機(jī)渦輪前溫度每提高100度，在發(fā)動機(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)難以滿足先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)技術(shù)的發(fā)展。

追求高推重比意味著航空發(fā)動機(jī)工作溫度的不斷提高。比如，現(xiàn)有推重比10級的發(fā)動機(jī)渦輪進(jìn)口溫度均達(dá)到了1500℃，推重比12~15的發(fā)動機(jī)渦輪進(jìn)口平均溫度將超過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)動機(jī)制造中，但其脆性大，抗沖擊性能弱，易折斷開裂，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)勢性能的基礎(chǔ)上，其抗沖擊、抗開裂性能得到大幅提升，是航空發(fā)動機(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。可用于生產(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、國防軍工、汽車工業(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。對于航空發(fā)動機(jī)用渦輪熱端部件來說，通常具有盤心厚、葉片薄的梯度結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并且為了更高的氣動效率，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。一般都依賴模具或者包含大量的機(jī)械加工，而精密模具的開發(fā)設(shè)計將導(dǎo)致成本十分高昂，機(jī)械加工則面臨著無法進(jìn)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(zhuǎn)子是真正的難點(diǎn)。

而３D打印技術(shù)的數(shù)字化、無模成型可以彌補(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寫（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，會導(dǎo)致陶瓷坯體致密度較低；SLS在燒結(jié)過程中產(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BJP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。

粉末擠出打印技術(shù)（PEP）是由升華三維國內(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直徑達(dá)到了600ｍｍ，且可滿足高推重比航空發(fā)動機(jī)對高溫部件的性能要求，可使發(fā)動機(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應(yīng)力滿足材料許用應(yīng)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(jī)的重量，提高材料的利用率，并提高發(fā)動機(jī)推重比。對于促進(jìn)先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)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(chǎn)業(yè)是國家制造業(yè)實力的體現(xiàn)。航空發(fā)動機(jī)性能的提高主要依賴于結(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)展歷程來看，發(fā)動機(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。作為中國金屬·陶瓷間接3D打印技術(shù)的開拓者，升華三維一直致力于該項技術(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。