通过槽式光固化制备反点阵陶瓷型芯以增强涡轮叶片冷却效果

《Journal of Manufacturing Processes》：Inverse lattice ceramic cores fabricated via vat photopolymerization for enhanced cooling of turbine blades

　　

摘要

随着航空发动机涡轮进口温度不断升高，传统冷却方法越来越难以满足涡轮叶片高效、均匀且可控冷却的要求。本研究将冷却性能评估、逆向点阵设计和陶瓷芯机械分析相结合，通过槽式光聚合技术制造逆向点阵陶瓷芯，以实现点阵冷却涡轮叶片的铸造。首先，通过CFD仿真评估了多种点阵结构的冷却性能。球-杆BCC结构实现了82.8的努塞尔数，同时在三种点阵构型中表现出最低的压力降（3174.35 Pa），从而支持其被选用于后续的逆向点阵芯制造。随后，系统地研究了逆向点阵结构对陶瓷芯性能的影响，并从材料和结构两个角度分析了影响力学性能的机制。最终，成功制造了符合技术要求逆向点阵陶瓷芯。本研究为生产用于铸造具有点阵增强内部冷却涡轮叶片的逆向点阵陶瓷芯提供了一种可行的增材制造路线。

引言

对更高推重比和更优航空发动机性能的需求导致涡轮进口温度不断升高。因此，涡轮叶片必须承受长时间接近合金熔点的温度暴露[1]、[2]、[3]、[4]。高效冷却对于降低叶片温度和维护结构完整性至关重要[5]、[6]、[7]。现代涡轮叶片通常将内部对流冷却与外部气膜冷却、喷射冷却和渗透冷却相结合[6]。气膜冷却和喷射冷却在叶片表面形成保护性冷却层。渗透冷却通过多孔壁分配冷却剂，可提供更均匀的表面覆盖。然而，传统陶瓷芯成型工艺限制了内部冷却通道的几何复杂度[8]、[9]。这些制造约束使得难以制造具有更大换热面积的复杂通道。随着工作温度和性能需求的不断提高，传统冷却结构可能无法满足未来的热管理需求[10]、[11]、[12]。因此，需要更高效的冷却结构和合适的陶瓷芯制造路线。

点阵结构是由周期性单元胞组成的三维多孔结构[12]、[13]。由于其轻量化设计和增强传热的潜力，点阵结构已被越来越多地应用于高温组件的内部冷却[14]。在内部冷却通道中，这些结构促进冷却剂混合并增强对流换热。其相互连通的流道还支持通过叶片壁进行渗透冷却中的分布式冷却剂输送。Alkebsi等[15]将拓扑优化与选择性激光熔化（SLM）相结合，用TPMS点阵取代涡轮叶片内部部分实体区域，实现了减重和热机械响应的协同优化。其数值结果表明减重33.41–40.32%，最大应力降低25.52–48.55%，变形降低7.35–19.58%。Yeranee等[16]为涡轮叶片后缘设计了拓扑优化的Diamond TPMS冷却通道。该结构使用激光粉末床熔融（LPBF）制造以评估其可制造性。与传统销齿通道相比，优化设计使热性能提高了139.7–150.2%。Yeranee和Rao[17]进一步比较了Gyroid、Diamond和IWP TPMS结构在涡轮叶片后缘冷却通道中的传热和压降特性。Diamond结构实现了最高的综合热性能。Kim等[18]比较了简单立方（SC）、体心立方（BCC）和面心立方（FCC）点阵结构肋片在燃气轮机冷却通道中的表现。BCC构型在测试结构中具有最高的热性能因子。

虽然SLM可以制造复杂点阵，但快速熔化和凝固引起的残余应力和热变形可能导致开裂、翘曲和尺寸偏差。这些缺陷会损害薄壁结构的成型质量[19]、[20]、[21]。此外，逐层沉积过程中的反复熔化和凝固使得SLM难以生产出与传统铸造相当的单晶涡轮叶片。晶界会阻止这些叶片满足高温蠕变和疲劳要求[22]。因此，具有复杂冷却结构的涡轮叶片仍然主要依赖陶瓷芯铸造路线。然而，传统陶瓷芯制造工艺依赖模具，导致成本高且迭代周期长[23]、[24]、[25]。对于复杂点阵几何形状，这些工艺也难以同时实现几何精度和点阵均匀性。因此，迫切需要高精度陶瓷芯制造路线来支持点阵冷却涡轮叶片的铸造。

近年来，槽式光聚合已成为制造陶瓷芯的有效路线，因为它具有高精度、无模具制造和高设计自由度等优点[26]、[27]、[28]。它可以直接将三维模型转化为陶瓷生坯，实现复杂结构的快速成型。在铸造过程中，陶瓷芯需要经历多个工艺步骤[29]、[30]。因此，对其力学性能、孔隙率、粗糙度和尺寸精度提出了严格要求[31]。目前的研究主要集中在优化材料组成和加工参数[32]、[33]、[34]、[35]。An等[36]研究了ZrO₂对陶瓷芯微观结构和性能的影响。他们发现2–2.5 vol%的ZrO₂与SiO₂反应生成ZrSiO₄，抑制裂纹扩展。这将高温抗弯强度提高到22–28 MPa，同时保持30%的孔隙率和2–3%的收缩率。Yang等[37]实现了陶瓷芯中莫来石晶须的原位生长。晶须有效地缝合了打印过程中形成的层间结构。因此，抗弯强度从7.6提高到14.4 MPa，线收缩率从2.6%降至0.7%，孔隙率增加到39.5%。在1540 °C下，获得了22.3 MPa的高温抗弯强度和2.95 mm的高温变形。然而，很少有研究将逆向点阵结构引入陶瓷芯以增强涡轮叶片的冷却性能。图1展示了槽式光聚合、逆向点阵和陶瓷芯之间的关系。槽式光聚合能够实现无模具、高精度的逆向点阵陶瓷芯制造，其周期性空腔可在铸造后转化为涡轮叶片中的点阵冷却通道，从而提高表面积比率和换热效率。然而，引入逆向点阵结构会增加孔隙率，这可能影响陶瓷芯的性能。

基于上述研究背景，本研究系统研究了通过槽式光聚合制造的逆向点阵陶瓷芯。首先，对不同点阵结构的冷却性能进行了模拟，并选择了适合槽式光聚合的逆向点阵设计。在成型控制方面，引入了一种非反应性增塑剂来抑制固化展宽，在保持生坯完整性的同时实现高成型精度。在陶瓷芯性能方面，研究了烧结温度和逆向点阵样品对力学性能的影响，并阐明了裂纹扩展路径的变化。在ANSYS中进行的有限元仿真用于表征不同逆向点阵样品的应力集中情况，有助于澄清结构设计与力学响应之间的关系。在后处理方面，采用溶胶浸渍来增强逆向点阵陶瓷芯并提高其力学性能。这些结果为提高逆向点阵陶瓷芯的性能提供了参考。

章节摘要

建模流程

为确保在铸造过程中形成点阵，在陶瓷芯内部设计了具有逆向点阵拓扑的周期性空腔，使熔融金属能够填充这些空腔并在凝固后在叶片中形成内部点阵。图2概述了逆向点阵陶瓷芯的完整制造过程。逆向点阵的建模过程如图2(a)所示。首先，构建了点阵单元胞的几何模型。单元胞为

不同点阵结构热性能分析

首先，评估不同点阵结构的热性能。如图5(a)所示，选择三种点阵结构进行比较：BCC、球-杆BCC和Gyroid TPMS结构。这三种结构的孔隙率均为72%，单元胞尺寸为4 mm。基于CFD几何模型，BCC、球-杆BCC和Gyroid TPMS的单个单元胞表面积分别为72.44、74.09和74.39 mm²。比表面积定义为点阵

结论

本研究通过槽式光聚合制造了逆向点阵陶瓷芯，以实现涡轮叶片的点阵增强内部冷却。我们系统地研究了热性能、成型精度、烧结温度和结构参数的影响以及浸渍增强。在传热方面，球-杆BCC点阵相对于光滑通道增加了润湿换热面积。其努塞尔数达到82.8，压力

CRediT作者贡献声明

孙星瑶：写作 – 原稿撰写，方法论，调查研究，形式化分析，数据管理，概念化。段文艳：写作 – 审阅与编辑，资金获取。陈飞宇：形式化分析，数据管理。王少涵：软件，方法论。刘晓东：监督，调查研究。王工：验证，项目管理。徐金凯：写作 – 审阅与编辑，数据管理。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢中国科学院青年创新促进会（2021160）、国家自然科学基金委员会（编号 51802319）、空间技术工程中心（编号 CSU-QZKT-2019-04）以及国家自然科学基金委员会（U24A20125）的支持。

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