梁振興

摘 要 近年來，增材制造技術(shù)發(fā)展迅速，成為各國制造業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展方向，本文介紹了增材制造技術(shù)在航空發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用，提出了該技術(shù)在航空發(fā)動機(jī)應(yīng)用面臨的困難，并對其未來的發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞 增材制造;航空發(fā)動機(jī)

前言

航空發(fā)動機(jī)被譽(yù)為人類工業(yè)皇冠上的明珠，作為飛機(jī)的心臟，其性能直接影響了飛機(jī)的性能和可靠性。對航空發(fā)動機(jī)高性能的追求導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)越發(fā)復(fù)雜，對整個發(fā)動機(jī)零部件的制造工藝水平都提出了更高的要求。增材制造技術(shù)也稱為3D打印技術(shù)，是通過CAD設(shè)計數(shù)據(jù)采用材料逐層累加的方法制造實(shí)體零件的技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的材料去除技術(shù)，是一種“自下而上”材料累加的制造方法[1]。這種制造技術(shù)具備精度高，周期短，能夠加工復(fù)雜零部件等優(yōu)勢，非常適合用于制造各種形狀復(fù)雜的航空發(fā)動機(jī)零部件。近年來，各航空發(fā)動機(jī)大國都加強(qiáng)了增材制造在發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用研究，主要集中于金屬零部件的直接成型和大型構(gòu)件的修復(fù)。

1 航空發(fā)動機(jī)的增材制造應(yīng)用

1.1 金屬零件直接成型

國內(nèi)外的航空發(fā)動機(jī)公司和研究機(jī)構(gòu)都對增材制造技術(shù)應(yīng)用于金屬零件的直接成型做了大量研究工作。GE航空公司作為增材制造領(lǐng)域全球的領(lǐng)導(dǎo)者對增材制造進(jìn)行了多年的研究。 GE已經(jīng)開始采用增材制造技術(shù)量產(chǎn)新一代的LEAP噴氣發(fā)動機(jī)燃料噴嘴已于2016年開始服役。其最新的發(fā)動機(jī)GE9X已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了T25傳感器外殼、熱交換器、誘導(dǎo)器、第5階段低壓渦輪葉片、第6階段葉片和燃燒器攪拌機(jī)這幾個部件的增材制造。GE在2018年試驗(yàn)的ATP發(fā)動機(jī)，用12個增材制造部件來替換800多個減材制造零件，增材部件占到了總零件數(shù)的35%[2]。另一家美國航空發(fā)動機(jī)巨頭普惠公司也于2018年宣布使用增材制造技術(shù)生產(chǎn)的零件，這款使用電子束粉末床熔融工藝加工的同步環(huán)支架被安裝到PW-1500批產(chǎn)發(fā)動機(jī)上。普惠旗下一家子公司正在開展增材制造旋轉(zhuǎn)件研究，據(jù)報道為整體葉盤。英國的羅羅公司作為航空發(fā)動機(jī)巨頭，也在一直積極進(jìn)行增材制造技術(shù)的研究，已經(jīng)制造了XWB97K的前軸承葉片，并且將在新一代羅羅Adcance3發(fā)動機(jī)上大量使用增材制造技術(shù)。我國也對增材制造生產(chǎn)零件進(jìn)行了大量研究，我國西安交通大學(xué)利用棘突光固化的空心渦輪葉片制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多種航空發(fā)動機(jī)空心渦輪葉片的試制，將試驗(yàn)周期從6月縮短至1月，成本從80多萬元降低到1萬元左右[3]。經(jīng)過20余年的不懈努力，北京航空航天大學(xué)王華明院士團(tuán)隊成功研制具有原創(chuàng)核心技術(shù)的世界最大的激光增材制造設(shè)備（最大成形尺寸達(dá)7m×4m×3.5m），以及世界最大的發(fā)動機(jī)鈦合金加強(qiáng)框。中國航發(fā)集團(tuán)下屬的商用發(fā)動機(jī)公司利用增材制造技術(shù)完成了3D打印燃燒室燃油噴嘴等多項(xiàng)技術(shù)研究。

1.2 構(gòu)件的修復(fù)

航空發(fā)動機(jī)零部件價錢昂貴，在使用過程中容易受到外物損傷等，增材制造技術(shù)的另一個應(yīng)用領(lǐng)域就是對航空發(fā)發(fā)動機(jī)零部件的修復(fù)，包括渦輪葉片、渦輪盤、外殼和風(fēng)扇等。增材制造技術(shù)可以重建零件缺失部分，將受損零件修復(fù)到設(shè)計的形狀尺寸[4]。據(jù)報道，GE公司的研究團(tuán)隊通過混合增材制造設(shè)備，修復(fù)受損的發(fā)動機(jī)葉片，修復(fù)后的葉片性能得到了提高，整個渦輪的性能得到了提升。法國的增材制造設(shè)備公司BeAM生產(chǎn)的機(jī)器修復(fù)了航空發(fā)動機(jī)的渦輪部件。德國漢莎航空維修公司，也開始使用增材制造技術(shù)來維修新一代的航空發(fā)動機(jī)零部件。美國Optomec公司利用增材制造技術(shù)修復(fù)傳統(tǒng)焊接工藝無法修復(fù)的零件，包括發(fā)動機(jī)高溫合金和鈦合金葉片，修復(fù)的一級渦輪整體葉盤，順利通過了考核，符合修理的標(biāo)準(zhǔn)。澳大利亞IMCRC通過研究增材制造來解決金屬的損傷問題，尤其是發(fā)動機(jī)零件在使用過程中出現(xiàn)的腐蝕和應(yīng)力腐蝕。國內(nèi)也在增材制造修復(fù)航空發(fā)動機(jī)零部件上做了大量工作，包括機(jī)匣和整體葉盤的修復(fù)等。

2 航空發(fā)動機(jī)增材制造技術(shù)應(yīng)用問題

增材制造在航空發(fā)動機(jī)的應(yīng)用存在著一些問題。首先是如何提高增材制造零部件的質(zhì)量，目前增材制造的零件很多不能滿足發(fā)動機(jī)零件精度和性能方面的要求，且容易出現(xiàn)一些增材制造缺陷，導(dǎo)致零件的力學(xué)性能不能滿足要求。其次就是增材制造的使用成本較高。由于增材制造是小批量，無法進(jìn)行大規(guī)模的量產(chǎn)，因此如何將增材制造的生產(chǎn)效率提高，能夠以更低的生產(chǎn)成本生產(chǎn)更大、更為復(fù)雜的零部件，是今后需要研究的方向。

3 結(jié)束語

隨著增材制造技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，增材制造技術(shù)將會在航空發(fā)動機(jī)部件制造和維修中發(fā)揮更大的作用。目前增材制造在質(zhì)量和成本等方面還面臨著一些挑戰(zhàn)，需要研究人員對該技術(shù)繼續(xù)進(jìn)行深入的研究，同時研究新一代發(fā)動機(jī)用復(fù)合材料的增材制造技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 盧秉恒，李滌塵.增材制造（3D打?。┘夹g(shù)發(fā)展[J].機(jī)械制造與自動化，2013，42（4）：1-4.

[2] 朱宏康.美國通用電氣公司（GE）增材制造動態(tài)[J].中國材料進(jìn)展，2019，38（4）：410-412

[3] 魯中良.基于光固化3D打印的空心渦輪葉片快速精密鑄造技術(shù)[C].中國機(jī)械工程學(xué)會鑄造分會，2016：638.

[4] Dutta B，F(xiàn)roes F H. Additive manufacturing of titanium alloys[J]. Advanced Materials and Processes，2014，172（2）：18.