光固化3D打印技术，加速空心涡轮叶片的研发
佚名
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在能源、航空航天等战略领域日趋重要的21世纪，先进的涡轮叶片制造技术已成为国内外关注的热点。近年来，我国两机（航空发动机和工业燃气轮机）事业发展迅速，对涡轮叶片相关技术的需求亦不断增长。
涡轮叶片是现代航空发动机和工业燃气涡轮发动机的核心零部件，其作用是将高温高压燃气的热能转换成机械能，以驱动发动机工作。
由于涡轮叶片需要在高温高压和高负荷等极端环境下长期稳定工作，其相关技术集成了材料科学、气动及结构设计以及先进制造等多学科知识，被誉为是“工业王冠上的明珠”。
涡轮叶片外形为复杂的三维曲面，为确保冷却，其内部设计有复杂的空腔结构，从而增加了制造难度，目前主要采用熔模铸造方法成形。
空心涡轮叶片快速制造工艺流程
常规的熔模铸造工艺需要复杂的精铸模具，包括型芯及蜡模模具。基于模具加工技术的限制，研制空心涡轮叶片存在周期长、响应慢和适用性差等问题，制约了新型叶片设计与制造技术的发展。为此，西安交通大学长江学者李涤尘教授团队提出了基于光固化3D打印的空心叶片型芯/型壳一体化铸型快速制造技术，采用高精度光固化3D打印方法制造空心涡轮叶片用树脂原型模具。
为了实现这一目标，该团队研究了5项核心技术，包括：高精度光固化快速成形设备的研制，光固化树脂原型表面台阶效应消除方法，陶瓷铸型微细结构的凝胶注模成型工艺，铸型坯体无缺陷、高精度冷冻干燥技术，以及铸型高温力学性能调控研究。
总之，采用凝胶注模工艺成形型芯/型壳一体化结构的陶瓷铸型，避免了精铸模具的准备环节，大大简化了工艺流程，具有周期短、响应快及成形复杂结构能力强等特点。
该技术在单件、小批量复杂结构叶片的研制中具有很大的优势，对传统熔模铸造工艺具有潜在的变革性影响。
未覆膜陶瓷铸型表面
覆膜前后表面粗糙度
覆膜后陶瓷铸型表面
常压注型与真空注型微细结构浇注情况对比
目前，该研究成果已在中国航发西安航空发动机有限公司、中国航发四川燃气涡轮研究院、中国航发沈阳发动机研究所、沈阳铸造研究所和东方汽轮机有限公司得到应用并取得良好效果，成功试制出一些叶片样件。
试制的空心涡轮叶片
比如，对某种叶片进行单件、小批量试制时，采用常规的熔模铸造技术，仅单套模具的制造成本就达40～50万元，此外，还要根据铸件毛坯情况，不断对精铸模具进行试验、修改和调整，直至浇铸出合格的叶片。由于一个完整的试模周期较长，导致精铸模具的定型周期也相应延长，从而提高了生产成本。因此，采用常规的熔模铸造技术实现单件、小批量叶片的试制，每个叶片的均摊成本约达60万元。
相比之下，采用基于光固化3D打印的空心叶片型芯/型壳一体化铸型快速制造技术进行试制时，避免了开发精铸模具，缩短了生产周期，小批量生产的叶片，均摊成本约为1.5万元，经济效益显著提高。
基于上述应用验证取得的成果，该技术有望得到进一步推广，为未来新型空心涡轮叶片（如双层壁叶片）的制造提供新的途径，加速我国“两机”涡轮叶片的研发进度。
来源：工业智慧院
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