【解析】3D打印技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用

增材制造技術(shù)最重要的應(yīng)用首推航空航天領(lǐng)域。美國“增材制造路線圖”把航空航天需求作為增材制造的第一位工業(yè)應(yīng)用目標(biāo)，波音、GE、霍尼韋爾、洛克希德•馬丁等美國著名航空航天企業(yè)都是美國增材制造創(chuàng)新研究所（NAMII）的成員單位。澳大利亞政府于2012年2月宣布支持一項(xiàng)航空航天領(lǐng)域革命性的項(xiàng)目“微型發(fā)動(dòng)機(jī)增材制造技術(shù)”。2012年9月，英國技術(shù)戰(zhàn)略委員會(huì)特別專家組在一份題為“Shaping our National Competency in Additive  Manufacturing”的專題報(bào)告中，也把航空航天作為增材制 造技術(shù)的首要應(yīng)用領(lǐng)域。

1 增材制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)
以3D打印制造技術(shù)為例，作為信息化和制造技術(shù)的高度融合，3D打印能夠?qū)崿F(xiàn)高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬零件的無模具、快速、全致密、近凈成形，特別是對(duì)于激光立體成形和修復(fù)的零件，其力學(xué)性能同鍛件性能相當(dāng)，成為了應(yīng)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域技術(shù)挑戰(zhàn)的最佳新技術(shù)途徑。相對(duì)傳統(tǒng)制造技術(shù)，3D打印技術(shù)具有以下十大潛在優(yōu)勢(shì)。

（1） 降低制造成本。對(duì)于傳統(tǒng)制造，產(chǎn)品形狀越復(fù)雜，制造成本越高。3D打印不會(huì)因?yàn)楫a(chǎn)品形狀的復(fù)雜程度提高而消耗更多的時(shí)間或成本，針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)為追求性能而呈現(xiàn)的大量形狀復(fù)雜的零件制造，3D打印無疑具有優(yōu)勢(shì)。
（2） 適于產(chǎn)品多樣化。航空發(fā)動(dòng)機(jī)本身就是“試出來的”產(chǎn)品，研制過程需要多次反復(fù)修改設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)上每一輪改進(jìn)都需要對(duì)模具進(jìn)行修改并增加制造成本，3D打印不需要針對(duì)產(chǎn)品的形狀改變而修改模具。
（3） 最小化裝配和減重。通過拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，3D打印可以打印組合零件，減少產(chǎn)品裝配并降低產(chǎn)品重量。
（4） 即時(shí)交付。3D打印可以按需打印，從而大大壓縮航空發(fā)動(dòng)機(jī)部分長周期零件的試制周期。

（5） 拓展設(shè)計(jì)空間。受傳統(tǒng)制造方式限制，產(chǎn)品只能根據(jù)工藝的可實(shí)現(xiàn)性來設(shè)計(jì)，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片上氣�？椎男螤钪荒苁菆A形。3D打印可以使渦輪葉片的氣�？赘鶕�(jù)冷卻效果要求設(shè)計(jì)成橢圓形或其他任意形狀。
（6） 降低技能要求。傳統(tǒng)上，航空發(fā)動(dòng)機(jī)很多零件制造對(duì)操作人員技能有很高要求，甚至出現(xiàn)過個(gè)別零件只能由1人或少數(shù)幾人制造的情形。3D打印從設(shè)計(jì)文件中獲取各種指令，制造同樣復(fù)雜的產(chǎn)品，3D打印機(jī)所需的操作技能遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)鑄造。
（7） 便攜制造。傳統(tǒng)的鑄造、鍛造一般僅能制造比設(shè)備小的產(chǎn)品。3D打印機(jī)調(diào)試好后，打印設(shè)備可以自由移動(dòng)，制造出比自身設(shè)備還要大的產(chǎn)品。
（8） 降低浪費(fèi)。與傳統(tǒng)加工減材制造相反，3D打印制造屬于增材制造，航空發(fā)動(dòng)機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)所使用的大量傳統(tǒng)金屬加工，大量原材料都在加工過程中被廢棄，而3D打印的“凈成形”大幅減少金屬制造浪費(fèi)量。
（9） 材料組合。對(duì)于傳統(tǒng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)制造方式來講，將不同材料組合（鑄造、鍛造等）成單一產(chǎn)品非常困難，3D打印有能力將不同原材料融合在一起。
（10） 精確實(shí)體復(fù)制。類似于數(shù)字文件復(fù)制，3D打印未來將使得數(shù)字復(fù)制擴(kuò)展到實(shí)體領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)異地零件復(fù)制。

2 應(yīng)用現(xiàn)狀
2.1 直接制造領(lǐng)域
金屬零件的直接增材制造的技術(shù)構(gòu)思，由美國聯(lián)合技術(shù)研究中心（UTRC）在1979年首先提出，其應(yīng)用對(duì)象就是制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤[2]。1994年，國際三大航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司之一的英國羅爾斯•羅伊斯公司（Rolls-Royce）與英國Crankfield大學(xué)一起探索航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的激光立體成形（LSF）制造技術(shù)。2000年，美國波音公司首先宣布采用LSF技術(shù)制造的三個(gè)鈦合金零件在F-22和F/A-l8E/F飛機(jī)上獲得應(yīng)用，并在2001年制定了LSF技術(shù)的美國國家標(biāo)準(zhǔn)（該標(biāo)準(zhǔn)在2011年進(jìn)行了修訂），由此在全球掀起了金屬零件直接增材制造的第一次熱潮。

2005年，西北工業(yè)大學(xué)將LSF技術(shù)與鑄造技術(shù)相結(jié)合，建立激光組合制造技術(shù)，解決了航空發(fā)動(dòng)機(jī)In961+GH4169合金復(fù)合軸承后機(jī)匣[4]的制造難題，保證了新型發(fā)動(dòng)機(jī)研制按時(shí)裝機(jī)試車。 近年來，隨著金屬直接增材制造技術(shù)成熟度的逐漸提高，特別是金屬直接增材制造裝備的商用化，采用金屬直接增材制造技術(shù)進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的成形制造又逐漸受到了國內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司和研究機(jī)構(gòu)的重視。圖1顯示了德國EOS公司所展示的其所生產(chǎn)的選擇性激光熔化（SLM） 裝備在航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件制造的應(yīng)用潛力。

意大利Avio公司采用瑞典Arcam公司所生產(chǎn)的電子束熔化裝備（EBM）生產(chǎn)了TiAl低壓渦輪葉片。德國MTU航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司，除了將LSF技術(shù)應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的修復(fù)之外，近期也開始測(cè)試采用SLM技術(shù)直接制造的航空發(fā)動(dòng)機(jī)小型壓氣機(jī)靜子件。羅爾斯•羅伊斯航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司同樣也在考慮將金屬直接增材制造技術(shù)應(yīng)用于其先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的輕量化構(gòu)件的直接制造。普惠公司（Pratt&Whitney）則依托MTU航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司，也在開展SLM技術(shù)直接制造PurePower PW1100G-JM 航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的測(cè)試工作，如圖2所示。

目前，美國GE公司已擁有各類金屬直接增材制造裝備300多臺(tái)套，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)金屬零件的直接增材制造方面已走在國際前列。近期，美國GE公司基于其航空發(fā)動(dòng)機(jī)高端零件直接制造的需求，通過收購美國Morris公司和意大利Avio公司，重點(diǎn)開展了航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件的SLM和EBM制造研究和相關(guān)測(cè)試。美國Morris公司采用SLM技術(shù)生產(chǎn)了大量的航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件，如圖3所示，已經(jīng)擁有超過20臺(tái)最先進(jìn)的SLM設(shè)備。2013年底，GE公司宣布，將采用SLM技術(shù)為其下一代的GE Leap發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)噴油嘴，每年的產(chǎn)量將達(dá)到40000個(gè)。GE公司發(fā)現(xiàn)，采用SLM技術(shù)生產(chǎn)噴嘴，生產(chǎn)周期可縮短2/3，生產(chǎn)成本降低50%，同時(shí)可靠性得到了大大的提高。

2.2 增材修復(fù)領(lǐng)域
航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作的苛刻環(huán)境決定了其對(duì)零件制造的要求極高，在很長一段時(shí)間里，金屬直接增材制造重點(diǎn)還是著重于航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的修復(fù)。致力于使LSF技術(shù)商用化的美國Optomec Design公司，已將LSF技術(shù)應(yīng)用于T700美國海軍飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)零件的磨損修復(fù)，如圖4所示，實(shí)現(xiàn)了已失效零件的快速、低成本再生制造。德國MTU公司與漢諾威激光研究中心則將LSF技術(shù)用于渦輪葉片冠部組里面的硬面 覆層或恢復(fù)幾何尺寸。
德國Fraunhofer研究所則重點(diǎn)研究了LSF技術(shù)在鈦合金和高溫合金航空發(fā)動(dòng)機(jī)損傷構(gòu)件修復(fù)再制造的應(yīng)用。英國Rolls-Royce航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司則將LSF技術(shù)用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件的修復(fù)。瑞士洛桑理工學(xué)院W. Kurz教授的研究組采用LSF技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高溫合金單晶葉片的修復(fù)。 在國內(nèi)，西北工業(yè)大學(xué)基于LSF技術(shù)開展了系統(tǒng)的激光成形修復(fù)的研究與應(yīng)用工作，已經(jīng)針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)部件的激光成形修復(fù)工藝及組織性能控制一體化技術(shù)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，并在小、中、大型航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、葉片、葉盤、油管等重要關(guān)鍵零件的修復(fù)中獲得廣泛應(yīng)用，如圖5所示。   

3 應(yīng)用前景
GE公司通過GRABCAD協(xié)會(huì)舉辦了一次基于金屬直接增材制造技術(shù)鈦合金發(fā)動(dòng)機(jī)支架的再設(shè)計(jì)大賽，共有56個(gè)國家的設(shè)計(jì)愛好者提交了697個(gè)參賽作品，其中冠軍設(shè)計(jì)將支架的重量從原設(shè)計(jì)的2.033kg減輕至327g，減重達(dá)84%。由于采用基于粉末床的SLM技術(shù)難以避免在零件生產(chǎn)中產(chǎn)生微小孔洞，造成疲勞性能降低，對(duì)于GE公司來說，采用SLM技術(shù)生產(chǎn)的零件主要用于生產(chǎn)異形管路和鑄件。為此，GE公司同時(shí)也在探索采用基于同步材料送進(jìn)技術(shù)的LSF技術(shù)生產(chǎn)高性能致密航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件。

圖6顯示了GE公司依托西北工業(yè)大學(xué)LSF技術(shù)所制造的GE 90發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料寬弦風(fēng)扇葉片鈦合金進(jìn)氣邊和高溫合金機(jī)匣。其中，鈦合金進(jìn)氣邊長1000mm，壁厚0.8~1.2mm，最終加工變形僅 0.12mm，通過了GE公司的測(cè)試。 圖7所示為GE公司預(yù)計(jì)可在航空發(fā)動(dòng)機(jī)各部位應(yīng)用金屬直接增材制造零部件的示意圖。GE公司預(yù)計(jì)采用金屬直接增材制造的零件，未來可占航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的50%，使其研發(fā)的大型航空發(fā)動(dòng)機(jī)每臺(tái)至少減重454kg。

金屬直接增材制造技術(shù)已經(jīng)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的制造上顯示了重要的應(yīng)用潛力和廣闊的應(yīng)用前景。不過，基于技術(shù)原理 和制造成本，任何一項(xiàng)加工技術(shù)都有與其相適應(yīng)的零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的制造同樣如此。基于金屬直接增材制造技術(shù)的成形精度、效率和成本特點(diǎn)，這項(xiàng)技術(shù)非常適用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)中具有輕量化要求的復(fù)雜構(gòu)件，特別是帶有內(nèi)部油路、管路的構(gòu)件，具有復(fù)雜凸緣或凸臺(tái)的構(gòu)件，具有復(fù)雜翼型的構(gòu)件，具有封閉或開孔蜂窩結(jié)構(gòu)的構(gòu)件和集成異形通路的構(gòu)件。

編輯：南極熊
作者：王強(qiáng)（中航商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司）,孫躍（上海市經(jīng)濟(jì)和信息化委員會(huì)）

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