Fabricating hollow turbine blades using short carbon fiber-reinforced SiC composite

Research and applications of additive manufacturing technology of SiC ceramics

“…SL 工艺一般指点曝光的光固化成形，以光敏树脂为原料，在紫外光的选择性扫描 下，引发光敏树脂的交联反应而固化 [41] ，浆料通过刮刀完成铺覆，紫外光聚焦到浆料表 面，通过点-线-面过程得到所需的三维结实体。光固化在成形过程中受热量影响较小， 因此精度更高。数字光投影(digital light projection, DLP)技术衍生于 SL 工艺，由点曝 光转变为面曝光。 DLP 的成形台一般为自下而上的-提拉式‖结构， 相较于-下沉式‖结构， 提拉过程中由于重力作用，成形件与成形台间容易剥离，因此 DLP 难以成形大尺寸构 件。SL/DLP 制备 SiC 构件可分为间接法和直接法：间接法先是通过 SL 打印模具，再注 模成型 [42~45] ；直接法则是由 SL/DLP 直接成形坯体 [19~23,46~48] 。西安交通大学鲁中良等人 [44,45] 提出了一种利用光固化-凝胶注模-液相渗硅的思路，成功制备了 SiC 空心涡轮叶片。 SL 间接法制备 SiC 陶瓷存在着工艺流程长和工艺成本高的问题， 相关研究正逐渐减少， 直接法受到更为广泛的关注。早在 2016 年，美国 HRL 实验室的 Eckel 等人 [49] 便采用光 固化打印陶瓷先驱体，裂解后获得了 SiOC 陶瓷(图 5(a))。 上海硅酸盐研究所黄政仁 团队 [47,48] 以新型前驱体超支化聚碳硅烷(LHBPCS)为原料，采用光固化结合气氛裂解制 备了线性烧结收缩率为 18.3%25.1%的 SiC 陶瓷，C、Si 等元素可近化学计量控制。上 海硅酸盐研究所张恒等人 [23] 图 5 SL 制备 SiC 工艺路线。 (a)陶瓷先驱体 SL 成形结合裂解制备 SiC [49] ；( b)SiC 微 粉 SL 成形先驱体浸渍裂解制备 SiC 构件 [21] ；( c)金刚石微粉 SL 成形与液相渗硅制备 SiC 零件 [50,51] Figure 5 SL process for preparing SiC. (a) Preparing SiC by SL and pyrolysis with ceramic precursor [52] ; (b) Preparing SiC parts by SL and precursor infiltration and pyrolysis with SiC powder [21] ; (c) Preparing SiC components by SL and liquid Si infiltration [50,51]…”

“…SiC 空间反射镜的应用需满足重量需求与光学性能需求。除高频动态干涉仪检测空 间反射镜面形精度、振动实验测试振动稳定性、重力静置实验测试应力释放稳定性等一 系列实验验证方法外，采用有限元模拟方式同样能够考察碳化硅空间反射镜是否满足重 力下的面形、刚体位移等静力学和随机振动、模态、正弦等动力学的需求。Guo 等人 [99] 对 SiC 反射镜组件离散建立有限元模型，分析了有限元模型的有效性，对空间反射镜在 三种典型载荷条件下的力学响应进行了分析。结果表明，一阶固有频率、图形误差 PV 值和强度完全满足反射镜的设计要求。 Wang 等人 [100] 利用正交试验设计和 Patran/Nastran 有限元分析软件提出了一种基于 BP 神经网络的反射镜结构优化预测模型。该神经网络 模型能够足够准确地预测反射镜的特性，从而优化反射镜的结构参数，同时也可应用于 其它结构优化。Bai 等人 [101] turbine blade fabricated by SL combined with gelcasting and LSI [44] 6.2 光刻机用精密 SiC 陶瓷部件 仍面临生产效率低、废品率高、生产成本高等问题 [107] 。如图 8(b)所示，本团队通过 SLS 技术结合反应烧结，研制了一系列光刻机关键部件，推动了我国集成电路关键装备 的发展。相比于传统工艺流程，增材制造的引入使得 SiC 复杂部件的生产更趋于快速、 高精度，且成品率高，降低了光刻机装备的制造成本。 6.3 航空发动机叶片 对于航空发动机而言，SiC 复合材料可以显著降低发动机重量，提高推重比 [103] 。镍 基高温合金密度为 89 g/cm 3 ，耐温极限<1150℃，推重比最高可到 14，而 SiC 复合材料 的密度约为 3 g/cm 3 ，能承受>1300℃的高温， 推重比可达 15，SiC 陶瓷复合材料被认 为是最有潜力的涡轮叶片材料。目前，SiC 陶瓷复合材料主要包括 C f /SiC 陶瓷基复合材 料和 SiC f /SiC 陶瓷基复合材料。第五代航空发动机涡轮进口温度将达到 19502150℃， 因此对新型耐高温结构材料和先进制造工艺的需求日益增长 [109] 。纤维增强 SiC 陶瓷基 复合材料成为制造航空发动机空心涡轮叶片最具前景的候选材料之一， 如图 8 (c) 所示， 鲁中良团队 [44]…”

“…提出了一种基于模式叠加理论和 Zernike 多项式拟合相结合 的方法，建立了光学表面误差的动态响应与微振动扰动之间的关系，可以直接预测微振 动对光学系统像差的影响。 6 增材制造 SiC 陶瓷构件的应用进展 粉材成形工艺(SLS 和 3DP)具有材料范围广、原料易制得的特点，其中 SLS 成形 SiC 构件的精度和性能均较好，适于成形中型尺寸(0.6~1.5 m)高强度 SiC 构件，3DP 工艺精度稍差，但成形大尺寸 SiC 构件(>1.5 m)具有突出优势。SL/DLP 工艺精度高， 但成形大尺寸构件较为困难，因此适于成形小尺寸高精度 SiC 构件。DIW 和 FDM 工艺 可成形连续纤维增强 SiC 陶瓷基复合材料，未来将以制备连续纤维增强 SiC 构件为主。 LOM 工艺因为原材料制备困难，目前渐渐淡出人们视线。在实际应用中，可以根据应 用场景对材料、构件尺寸、精度和强度的要求选择合适的增材制造工艺。下文列举了目 A c c e p t e d https://engine.scichina.com/doi/10.1360/TB-2021-1113 2016 年提出一种大型复杂高强 SiC 构件多 激光 SLS 增材制造新思路，采用 SLS 或 3DP 增材制造工艺整体成形大型复杂 C f /C 预制 体，再通过液相渗硅法成形出相应的大型复杂高强 C f /SiC 复合材料构件，获中国(ZL 201710238622.1、201610496893.2) 、美国(US 11021402) 、日本(JP 6859441) 、俄罗斯 (RU 2728429)发明专利 [102~106] 。制备出最大直径>1.6 m 的大型轻量化复杂空间遥感卫 星反射镜镜坯(图 8(a) ) ，试样抗弯强度 266 MPa、断裂韧性 3.48 MPa m 1/2 、弹性模量 300 GPa、相对密度＞99%、热膨胀系数 4.51×10 -6 K -1 、热导率 82.78 W/(m K)。 图 8 典型增材制造 SiC 构件。 (a)SLS 技术结合 LSI 制备的 SiC 反射镜； (b)SLS 技术 结合 LSI 制备的 SiC 方镜； (c) SL 技术结合凝胶注模和 LSI 制备的 SiC 空心涡轮叶片[44] …”

Effect of silicon addition on the microstructure, mechanical and thermal properties of Cf/SiC composite prepared via selective laser sintering

“…In recent years, additive manufacturing (AM) of SiC ceramics is increasingly under development owing to its unparalleled flexibility of manufacturing 3D structures over traditional shaping processes [22][23][24][25][26]. Among the various AM technologies, SLS is one of the most promising powder bed fusion AM techniques capable of producing near-net-shape SiC parts with complex geometries due to its versatility in processing polymeric, metallic, ceramic and composite materials [12,[27][28]. Stierlen et al [29] utilized SLS for the first time to fabricate pre-designed preforms with the mixture of SiC powder and polymer binder, and subsequently removed the sacrificed polymer by debinding process to obtain a porous preform, which is then infiltrated with liquid Si to form SiC ceramics.…”

Microstructure and thermal characteristics of SiC–Al2O3–Ni composite for high-temperature application

“…Great hopes of improving the efficiency of aircraft engines involve the use of ceramic-metallic materials on the base of silicon carbide (SiC) [1][2][3]. Components made of composite materials are characterized by low weight, which is important in aircraft construction.…”