自20世紀40年代進入噴氣時代以來，伴隨著人們對發動機推重比需求的提高，航空發動機技術得到了飛速發展，它每一次的更新換代都伴隨著一些新結構的應用，而支撐這些結構的基礎就是一些新材料與制造技術的發展與使用。
隨著航空技術的發展，對航空發動機推重比的要求越來越高。數據顯示航空發動機渦輪前溫度每提高100度，在發動機尺寸不變的條件下，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。隨著渦輪進口溫度不斷提高，對現有高溫合金材料體系提出了挑戰。而傳統的熱端部件結構材料主要是鎳基高溫合金，但因其工作溫度受到理論限制，顯然已經難以滿足先進航空發動機技術的發展。
SIC在航空航天具有廣闊應用前景
追求高推重比意味著航空發動機工作溫度的不斷提高。比如，現有推重比10級的發動機渦輪進口溫度均達到了1500℃，推重比12~15的發動機渦輪進口平均溫度將超過1800℃以上，這遠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到1100℃左右。而碳化硅基復合材料使用溫度能提高到1600℃以上，被認為是最理想的航空發動機熱端結構件材料。
碳化硅陶瓷強度高、硬度高、耐高溫、抗氧化、抗腐蝕，可替代高溫合金用于航空發動機制造中，但其脆性大，抗沖擊性能弱，易折斷開裂，因此應用受到限制。由升華三維推出的碳化硅陶瓷復合材料UPGM－SIC，在碳化硅陶瓷優勢性能的基礎上，其抗沖擊、抗開裂性能得到大幅提升，是航空發動機熱端結構件首選材料，在航空航天領域具有廣闊應用前景。
▲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合材料，呈灰色，粒徑在8-14目的近球形顆粒。可用于生產結構復雜、大尺寸、輕量化、一體化制備的陶瓷部件。可應用于航空航天、國防軍工、汽車工業、核工業、機械制造等領域。
SIC主流制造的難點和不足
碳化硅作為性能優異的結構陶瓷材料，可制備成輕質、高強度、高尺寸，且性能穩定的碳化硅陶瓷部件。對于航空發動機用渦輪熱端部件來說，通常具有盤心厚、葉片薄的梯度結構特點，并且為了更高的氣動效率，葉片通常具有高度復雜的三維曲面，這使渦輪轉子的制備工藝困難、研發周期漫長。一般都依賴模具或者包含大量的機械加工，而精密模具的開發設計將導致成本十分高昂，機械加工則面臨著無法進刀或易開裂問題。因此，如何快速、低成本、近凈尺寸地制造渦輪轉子是真正的難點。
而３D打印技術的數字化、無模成型可以彌補傳統制造工藝的不足。目前主要的SIC陶瓷３D打印方法有直接墨水書寫（DIW）、激光打印（SLS）、粘結劑噴射（BJP）、立體光刻（SLA）。但BIW墨水中的固相含量太低，會導致陶瓷坯體致密度較低；SLS在燒結過程中產生的熱應力難以避免產生裂紋，導致最終產品力學性能較差、且激光設備成本較高；而BJP限制了粉末填充密度，導致SiC體積分數受限；SLA雖然能夠制備出高強度、高精度、高結構均一性和復雜性的陶瓷坯體，但由于碳化硅的吸光特性，導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，為航空航天產業制造提供新方法
粉末擠出打印技術（PEP）是由升華三維國內首創的將“3D打印+粉末冶金”相結合的金屬/陶瓷間接3D打印技術。PEP技術作為一項顛覆性的陶瓷材料成型技術，其不需要模具和機械加工，可以實現近凈尺寸成型大型復雜結構件的一體化制造，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，采用公司的核心打印設備UPS-556，結合UPGM-SIC顆粒材料，實現結構部件的一體化成型，打印出具有一定強度和密度的生坯；再匹配PEP的脫脂燒結工藝，從而得到致密化的結構部件。
在航空發動機渦輪熱端部件應用上，升華三維成功制備的渦輪葉盤直徑達到了600ｍｍ，且可滿足高推重比航空發動機對高溫部件的性能要求，可使發動機工作溫度提高300～500℃，結構減重50％～70％，推力提高30％～100％。在保證渦輪整體葉盤應力滿足材料許用應力的條件下，減輕渦輪整體葉盤的重量，可以減輕航空發動機的重量，提高材料的利用率，并提高發動機推重比。對于促進先進航空發動機制造發展有著重大意義。
▲UPS-556打印的SIC渦輪葉盤樣品（來源：升華三維）
航空航天產業是國家制造業實力的體現。航空發動機性能的提高主要依賴于結構和材料的發展，而結構和材料的發展又與制造工藝具有密切的聯系。從航空推進技術的發展歷程來看，發動機關鍵部件的結構及材料使用趨向于整體化、輕質化。作為中國金屬·陶瓷間接3D打印技術的開拓者，升華三維一直致力于該項技術的推廣及應用。目前已具備了碳化硅基復合材料的復雜結構部件一體化、輕量化制備能力。PEP技術有望迭代傳統陶瓷制造工藝，為航空發動機渦輪熱端部件制造提供新方法。另外，PEP技術的粉末擠出打印方式及其配套的顆粒打印材料具有應對傳統航空制造業的優勢，有助于零件在太空環境中制造，有可能成為地球低軌道商業活動的市場潛力。
