قلوب سيراميكية لريش التوربين المجوفة

لم تعد عملية تحضير قلب السيراميك التقليدية قادرة على تلبية المتطلبات الصارمة للجيل الجديد من محركات الفضاء لهياكل التبريد المعقدة. تعمل تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد على إعادة تشكيل المنطق الأساسي لصب شفرات التوربينات المجوفة من خلال قدرات تصنيع الهياكل الخالية من القوالب والعالية الدقة والمعقدة.

في عالم المحركات الهوائية، درجة الحرارة تساوي الأداء. في كل مرة ترتفع فيها درجة حرارة الغاز أمام التوربين بمقدار 100 درجة مئوية، يمكن أن يزيد دفع المحرك بحوالي 15%. ومن أجل تحمل درجات الحرارة القصوى التي تزيد عن 1600 درجة مئوية، يجب إنشاء قنوات تبريد معقدة داخل ريش التوربينات الحديثة، وهذه هي أهمية وجود النوى الخزفية. إنه مثل "جسر القلب" للشفرة. إنه يشكل تجويفًا داخليًا دقيقًا أثناء عملية الصب ويتم إذابته كيميائيًا في النهاية، مما يترك قناة تبريد مجوفة.

ومع ذلك، فإن تحضير قلب السيراميك التقليدي (قولبة الحقن، والضغط الساخن، وصب الهلام) يشبه استخدام قالب لصنع منحوتات ثلجية - تستغرق دورة طويلة، وتكلفة عالية، ويصعب تحقيق هياكل معقدة ثلاثية الأبعاد. عندما يريد مصممو المحرك قنوات تبريد أكثر تعقيدًا وأدق، فإن العمليات التقليدية تتوسع. هذا هو الوقت المثالي لتدخل تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد.

أربع تقنيات لطباعة السيراميك

توجد حاليًا أربعة مسارات تقنية رئيسية لتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد المستخدمة في النوى الخزفية، ولكل منها خصائصه الخاصة:

البلمرة الضوئية: SL/DLP

تستخدم تقنيات الطباعة الحجرية المجسمة (SL) ومعالجة الضوء الرقمي (DLP) ملاطًا مختلطًا من مسحوق السيراميك والراتنج الحساس للضوء كمواد خام، ويتم معالجتها طبقة بعد طبقة من خلال الضوء فوق البنفسجي. يستخدم SL المسح بالليزر نقطة بنقطة، وهو دقيق للغاية ولكنه بطيء؛ يستخدم DLP الإسقاط الرقمي لترسيخ الطبقة بأكملها مرة واحدة، مما يؤدي إلى تحسين الكفاءة بشكل كبير.

رسم تخطيطي لتقنية الطباعة الحجرية المجسمة (SL): يقوم شعاع الليزر بمسح طبقة الملاط الخزفي المتصلب طبقة تلو الأخرى على طول مسار محدد.

تظهر البيانات التجريبية أن النواة الخزفية القائمة على السيليكون والتي أعدها Li et al. باستخدام تقنية SL لديه قوة انحناء تبلغ 12.1 ميجا باسكال بعد التلبيد عند 1300 درجة مئوية، وخشونة سطح منخفضة تصل إلى 97.2 نانومتر. قلب السيراميك المعتمد على الألومنيوم والذي أعده Liang et al. من خلال تقنية DLP، حققت مسامية بنسبة 35.1% وقوة انحناء تبلغ 20.3 ميجا باسكال بعد التلبيد عند 1400 درجة مئوية - وهذه المسامية ضرورية لإزالة اللب الكيميائي لاحقًا.

رسم تخطيطي لتقنية معالجة الضوء الرقمية (DLP): تقوية طبقة كاملة من الملاط دفعة واحدة من خلال الإسقاط الرقمي

SLS: تشكيل سريع دون دعامات منفصلة

تستخدم تقنية SLS مسحوق السيراميك كمادة خام وتستخدم أشعة ليزر عالية الطاقة لتلبيد طبقة المسحوق بشكل انتقائي. الميزة الأكبر هي أنه ليست هناك حاجة إلى هيكل داعم، ويمكن استخدام المسحوق نفسه كدعم، وهو مناسب لتصنيع الهياكل المعقدة مثل الهياكل المعلقة والمقلوبة. ومع ذلك، فإن الدقة منخفضة نسبيًا، وعادةً ما تتطلب الأجزاء الملبدة معالجة تسلل لاحقة.

رسم تخطيطي لتقنية تلبيد الليزر الانتقائي (SLS): بعد أن يلبد شعاع الليزر طبقة المسحوق، يتم خفض طاولة العمل ونشر مسحوق جديد

البحث الذي أجراه ون وآخرون. يوضح إمكانات SLS: يحتوي قلب السيراميك القائم على السيليكون والذي تم إعداده من خلال الجمع بين عملية التسلل الفراغي على زحف بدرجة حرارة عالية تبلغ 0.31 ملم فقط عند 1550 درجة مئوية وقوة انحناء تبلغ 15.04 ميجا باسكال، وهي قريبة من مستوى العمليات التقليدية.

DIW: المرونة والتكلفة

تقوم تقنية DIW بقذف الملاط عالي اللزوجة من خلال فوهة وتكديسه طبقة تلو الأخرى. المعدات منخفضة التكلفة ومرنة في القولبة، ولكن الدقة محدودة بقطر الفوهة (عادة 200-500 ميكرومتر)، كما أن ريولوجيا الملاط تتطلب جهدًا كبيرًا - يجب أن تكون قادرة على التدفق أثناء البثق والحفاظ على الشكل بعد الترسيب.

رسم تخطيطي لتقنية الكتابة المباشرة (DIW): يتم بثق الملاط من فوهة بحجم ميكرون عن طريق ضغط الهواء أو المكبس

سيراميك الألومينا الكثيف الذي أعده Xie et al. من خلال DIW يتمتع بقوة انحناء تصل إلى 380±45 ميجا باسكال وكثافة نظرية تبلغ 99%، مما يدل على الإمكانات الكبيرة لهذه التكنولوجيا في مجال السيراميك الكثيف.

LEF: بثق مستمر منخفض التكلفة

تشبه تقنية LEF تقنية DIW، ولكنها تركز بشكل أكبر على الترسيب المستمر للطبقات من الملاط. إنه منخفض التكلفة ويمكنه تصميم هياكل داخلية معقدة، مما يجعله مرشحًا محتملاً للإنتاج الصناعي الضخم.

Screeching (LF) technical schematics: continuous stratification of ceramics

ثلاثة اختناقات وسبل معالجتها

على الرغم من المستقبل المشرق، لا تزال النوى الخزفية المطبوعة ثلاثية الأبعاد تواجه ثلاثة تحديات أساسية: دقة الطباعة غير الكافية، وصعوبة موازنة الخواص الميكانيكية والمسامية، وتباين الخواص الهيكلية.

ضبط الدقة: من 1.53 μm إلى 1.14 μm

تؤثر خشونة السطح بشكل مباشر على جودة التجويف الداخلي لشفرات الزهر. لي وآخرون. نجح الباحثون في تقليل خشونة سطح النواة الخزفية من 1.53 ميكرومتر إلى 1.14 ميكرومتر عن طريق إضافة nano-ZrO₂ إلى جزيئات الكوارتز المنصهرة واستخدام الجسيمات النانوية لملء الفجوات بين الجزيئات بحجم ميكرون، وهو ما يمثل انخفاضًا بنسبة 25%.

قوة الانحناء والمسامية وخشونة السطح للعينات الملبدة والمعاد تلبيدها

موازنة المقاومة والمسامية

يجب أن يتمتع اللب الخزفي بالقوة الكافية لتحمل تأثير صب السبائك ذات درجة الحرارة العالية، ويجب أن يتمتع بمسامية كافية لضمان الذوبان الكيميائي اللاحق وإزالة اللب. يتم التخفيف من هذا التناقض من خلال تحسين عمليات إزالة الشحوم والتلبيد: يمكن أن يؤدي تلبيد الفراغ إلى تقليل الانكماش، ويمكن للتحكم في وقت الاحتفاظ أن يضبط نمو الحبوب، وبالتالي تحقيق تحسين منسق للقوة والمسامية.

خفض تباين الخواص الاتجاهي

تؤدي طبيعة التراص طبقة تلو الأخرى للطباعة ثلاثية الأبعاد إلى أداء غير متناسق للنوى الخزفية داخل الطبقات وفيما بينها. من خلال تحسين معلمات الطباعة (مثل سمك الطبقة، ووقت التعرض) وعملية التلبيد (مثل معدل التسخين، ووقت الاحتفاظ)، يمكن تحقيق خصائص ميكانيكية أكثر اتساقًا في ثلاثة أبعاد، ويمكن تحقيق حتى الخواص.

من المختبر إلى خط الإنتاج

في الوقت الحالي، لا تزال الأبحاث المعملية تهيمن على النوى الخزفية المطبوعة ثلاثية الأبعاد ولا تزال بعيدة عن الإنتاج الصناعي الضخم. تشمل اتجاهات التطوير المستقبلية ما يلي:

• تطوير معلقات بمحتوى صلب >60 vol% ولزوجة منخفضة وريولوجيا مناسبة لتحسين الدقة والكثافة الملبدة.

• رفع السرعة ومساحة البناء مثل SL متعدد الليزر وDLP كبير المساحة.

• دراسة فشل قلوب الصب عند حرارة مرتفعة وإجهاد معقد لوضع قواعد تصميم موثوقة.

• دمج مواد مختلفة، مثل سيراميك بمعاملات تمدد مختلفة، في قلب صب واحد لإنشاء تدرجات وظيفية.

من المتوقع أنه عندما يتم تصنيع النوى الخزفية المطبوعة ثلاثية الأبعاد بشكل حقيقي، سيحصل مصممو محركات الطيران على حرية تصميم غير مسبوقة - قنوات تبريد أكثر تعقيدًا، وسمك جدار أرق، وتنظيم أفضل لتدفق الهواء، مما سيدفع في النهاية نسبة الدفع إلى الوزن للمحرك والكفاءة الحرارية إلى مستوى جديد.

معلومات الاقتباس الورقي: Li Yuan، Li Qiuge، Zhang Hongbo، et al. التقدم البحثي في ​​الطباعة ثلاثية الأبعاد والتحكم في أداء النوى الخزفية لصب الشفرة المجوفة [J]. الصب، 2026، 73(1): 1-10.