科技成果

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成果名称: 复杂构件的高能束控形控性制造

成果登记号: 9612019Y0688

第一完成单位: 西安交通大学

联 系 人: 刘兴华

成果类型: 应用技术

成果体现形式 : 新技术

技术领域: 航空航天

应用行业: 制造业

成果简介:

    空心叶片是航空发动机和重型燃气轮机的核心部件,因其结构复杂,制造难度大等特点,被誉为制造业"皇冠上的明珠"。空心叶片的制造水平代表了一个国家工业和国防实力,我国在空心叶片制造上承袭了国外传统的熔模铸造技术开展叶片生产。现有的空心叶片成形是通过失蜡铸造工艺。由于空心叶片复杂的冷却内流道和金属凝固工艺的要求,叶片成形的铸型制造流程复杂,周期长,成本高。目前是通过多次组模来实现,自动化程度低,成品率低,制约我国航空发动机和燃气轮机的发展。随着国家"两机专项"的启动,自主创新力度加大,现有叶片熔模铸造技术柔性差,响应慢等局限越发明显,已成为制约我国航空发动机与重型燃气轮机自主研发的关键瓶颈技术。

针对空心叶片制造的"卡脖子"问题,该项目在国家重点基础研究发展计划等课题的资助下,西安交通大学和中国航发动力股份有限责任公司通过对3D打印核心技术的开发和熔模精密铸造的应用基础理论研究,发明了基于光固化3D打印的空心叶片型芯/型壳一体化铸型快速制造技术,实现了叶片铸型的无模制造,显著降低了叶片研制周期与研制成本,为空心叶片研制的"提效、增质"提供了颠覆性方法。主要技术发明如下:

    1.发明了基于光固化3D打印的空心叶片型芯/型壳一体化铸型快速制造技术。其原理是以光固化3D打印原型为三维模板,灌注陶瓷浆料,实现三维复杂结构复型。这一原理无需制造模具,实现铸型内外结构一体化,克服了型芯与型壳装配所造成的型芯漂移的难题,可以成形任意复杂的冷却流道结构,为双层壁冷结构和壁面异型气膜孔的直接铸造提供了整体铸型新工艺。

    2.建立了面向等轴晶、定向柱晶/单晶空心叶片型芯/型壳一体化陶瓷铸型制备工艺体系,提出了一体化铸型的精确制造方法与性能调控机制,实现了典型航机与重燃叶片铸型的高效、低成本成型,可将叶片的研制效率提升3-5倍,研制成本节约60%以上。 

    3.发明了空心叶片型芯/型壳一体化陶瓷铸型凝胶注模成型及真空冷冻干燥技术。建立了凝胶注模过程中非球形陶瓷粉末的多级级配颗粒堆积模型,解决了高固相、低粘度陶瓷浆料制备难题,实现了高性能一体化陶瓷铸型的凝胶注模成型;解决了厚大陶瓷坯体的干燥难题,揭示了陶瓷湿坯冷冻干燥过程中裂纹形成机理,实现了铸型湿坯的无缺陷快速干燥,铸型干燥收缩率优于0.15%,干燥效率提升2-3倍。

    4.揭示了空心叶片型芯/型壳一体化陶瓷铸型在三维复形过程中的结构变形机理,发明了一体化陶瓷铸型全流程制备精度保持技术。提出了雾化覆膜技术,解决了光固化树脂原型表面台阶效应,显著提升了光固化原型内外表面质量(最优处表面粗糙度Ra由8.5μm降至0.180μm)。提出了一体化铸型型芯烧结重心面概念,解决了细长悬臂型芯烧结变形的难题。构建了"近零烧结收缩"材料体系与烧结工艺,实现了一体化铸型的精确制备。

    5.发明了空心叶片型芯/型壳一体化陶瓷铸型中高温力学性能调控技术。提出了一体化铸型的有机陶瓷前驱体中温强化方法,突破了铸型高温力学性能调控技术,1500℃高温强度大于10MPa,铸型软化温度高于1600℃,满足了定向柱晶/单晶叶片定向凝固的铸造要求。

该项目获中国授权发明专利33项,在我国第一套燃气轮机设计制造专著系列中出版《高温透平叶片增材制造技术》专著1部,发表高水平学术论文43篇(其中SCI论文23篇)。以钟崛院士、林忠钦院士为代表的国家重点基础研究发展计划项目科技部验收专家认为:"本技术为重型燃气轮机高温叶片制造提供了新途径,形成了我国重型燃气轮机高温叶片的自主核心技术"。

    该项目成果已应用于中国航发动力股份有限公司、中国航发北京航空材料研究所、中国航发沈阳发动机研究所、中国航发四川燃气涡轮研究院、东方电气集团东方汽轮机有限公司等我国核心航机/燃机设计制造单位(如:我国军用、商用航空涡扇发动机、国产50MW燃气轮机等国家重大工程项目),为我国航空发动机、重型燃气轮机解决"卡脖子"问题提供了关键技术支撑,显著缩短了空心叶片研发周期,极大降低了空心叶片研发成本、提升了我国航空发动机和燃气轮机核心部件自主研发能力。部分关键技术和成果应用推广到航天九院第十六研究所(7171厂),延伸应用于沈阳铸造研究所有限公司和陕西恒通智能机器有限责任公司等单位,推动了企业技术升级,提升了企业数字化、智能化制造水平,加强了核心竞争力。近三年来产生经济效益8000余万元,节省成本3000余万元,取得了显著的经济效益和社会效益。