中國航發(fā)楊卓勇： 金屬增材制造在航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域有強(qiáng)大的誘惑力

2019年9月19-21日，IAME中國（西安）國際3D打印博覽會暨高峰論壇在西安高新國際會議中心舉辦。2019IAME旨在搭建增材制造（3D打�。┛萍紕�(chuàng)新的開放合作共享交流平臺，匯聚全球頂尖的增材制造（3D打�。╊I(lǐng)域成果及人才，促進(jìn)行業(yè)各環(huán)節(jié)、產(chǎn)業(yè)鏈的銜接融合。南極熊作為戰(zhàn)略合作媒體，到西安現(xiàn)場全程報道。

△南極熊配圖：航空發(fā)動機(jī)

在“增材制造技術(shù)與航空航天論壇”上，中國航發(fā)西安航空發(fā)動機(jī)有限公司楊卓勇做了主題是《航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域金屬增材制造技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)及探討》的報告。

下面南極熊根據(jù)現(xiàn)場速記整理的內(nèi)容：

一、增材制造技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀
前面講到在航天領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用，在發(fā)動機(jī)領(lǐng)域得到了比較廣泛的應(yīng)用，但是還處于起步階段，基于下面幾個優(yōu)點(diǎn)，受到大家的普遍關(guān)注：

• 一是降低成本，因為材料利用率提高了，所以研制成本就降低了。
• 二是縮短周期，3D打印在產(chǎn)品研制過程中，因為不需要專用的模具，所以研制周期大大的縮短了。
• 三是快速迭代，只需要更換3D模型就行了，所以快速研制方面大大縮短了研制周期。
• 四是減重，結(jié)構(gòu)優(yōu)化重量大大減輕。
  

這四方面對航空發(fā)動機(jī)的研制企業(yè)來說具有巨大的誘惑力，所以我們企業(yè)非常重視3D打印技術(shù)的應(yīng)用。在國外GE，Rolls-royce這些航空發(fā)動機(jī)巨頭們非常重視這項技術(shù)的研究，在一體化，輕量化，精密復(fù)雜，大型薄壁結(jié)構(gòu)研制上得到了應(yīng)用，這展示了了GE燃油噴嘴，Rolls-royce的產(chǎn)品，和西門子的渦輪葉片，還有樹脂復(fù)合材料金屬包邊。

另外一方面，3D打印在發(fā)動機(jī)的零件修復(fù)方面也有巨大的潛力，在應(yīng)用途徑上，一個是制造成本高，尺寸精度要求比較高的零件修復(fù)，3D打印變形相對熔焊變形小的多，在整體葉盤，機(jī)匣，葉片復(fù)雜的零件修復(fù)有它巨大的優(yōu)勢。應(yīng)急保障、戰(zhàn)地修復(fù)有這方面的需求，航空發(fā)動機(jī)修理和再制造也有巨大的應(yīng)用前景。國內(nèi)航空發(fā)動機(jī)在增材制造航空零部件應(yīng)用做了大量的工作，我們和高等院校合作搞了燃油噴嘴的研制，旋流器研制和整體葉盤的修復(fù)做了前期基礎(chǔ)研究工作，有的在型號預(yù)研中也得到了應(yīng)用。

二、存在問題與挑戰(zhàn)
增材制造在航空發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用目前存在一些問題。

第一，技術(shù)要求方面比較粗糙，主要是靠供貨商和采購方協(xié)商解決，所以各個工廠之間的技術(shù)要求差別比較大，這方面需要更進(jìn)一步開展研究。

第二，增材制造粉末工藝檢測全鏈條基礎(chǔ)實驗還不是很充分，包括無損檢測，復(fù)雜曲面，晶格結(jié)構(gòu)怎么檢測，內(nèi)腔內(nèi)流道表面質(zhì)量怎么控制等等方面，要應(yīng)用到航空發(fā)動機(jī)我們還需要更進(jìn)一步做一些細(xì)致的工作。

第三，增材制造件可靠性需要認(rèn)證，目前增材制造的標(biāo)準(zhǔn)也是參考了鍛鑄件的標(biāo)準(zhǔn)，滿足適航體系的要求，增材制造標(biāo)準(zhǔn)方面還需要進(jìn)一步的研究，我們認(rèn)為一個新零件通過3D打印要用到航空發(fā)動機(jī)上，大概需要粉末的確認(rèn)，零件的穩(wěn)定性的驗證，工藝平臺的建立，工藝參數(shù)的優(yōu)化，包括熱處理組織性能的研究，表面處理，批次性考核，力學(xué)性能的驗證，疲勞性能實驗，工藝評審，建立相應(yīng)的體系性的標(biāo)準(zhǔn)，通過試車考核以后才能應(yīng)用，應(yīng)用驗證的路途還是比較遙遠(yuǎn)的。

第四，如何降低增材制造的成本，縮短研制周期。這個圖展示傳統(tǒng)制造和增材制造成本周期的圖，展示了預(yù)研，研制，批產(chǎn)和維修四個階段的對比情況，從這個情況來看，我們在預(yù)研和研制初期，增材制造有優(yōu)勢，成本和周期方面有優(yōu)勢，隨著批量的上升，進(jìn)入批產(chǎn)和維修期以后如何進(jìn)一步降低增材制造的成本，如何進(jìn)一步的縮短研制周期或者制造周期也是我們面臨的一項任務(wù)。

三、應(yīng)用前景和展望
第一從國外的分析情況來看，3D打印在發(fā)動機(jī)上也有廣泛的應(yīng)用前景，這地方提到了壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片，和壓氣機(jī)定子葉片，燃燒室的襯套，燃油噴嘴，高低壓渦輪工作葉片，導(dǎo)向葉片和液罐，包括一些管接頭，隔熱瓶，外撲管漏（音），支架和其他的中小結(jié)構(gòu)件，包括壓氣機(jī)的機(jī)匣，燃燒室的機(jī)匣，高低壓渦輪，整體葉盤等等方面，我初步看了一下，在軸方面沒有提到，其他方面基本都涉及到了，從這看出增材制造在發(fā)動機(jī)的應(yīng)用前景比較廣闊。

第二我們認(rèn)為基于增材制工藝約束的設(shè)計概念要貫穿始終，包括一體化，輕量化的設(shè)計，提升發(fā)動機(jī)性能。減少工藝輔助的結(jié)構(gòu)，降低后處理的難度、幾何復(fù)雜性、制造復(fù)雜性零件成本的降低，這些都是在設(shè)計階段要考慮的問題。我們列了一個圖，也是傳統(tǒng)制造和增材制造的對比。在難度系數(shù)比較小的，目前0—45這個階段，我們認(rèn)為傳統(tǒng)的制造方法還是有優(yōu)勢，但是在難度系數(shù)45—60這個階段，我們可以傳統(tǒng)制造和增材制造用增材制造替代傳統(tǒng)制造，另外和難度系數(shù)更大，復(fù)雜的一體化輕量化的結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的制造方法沒有辦法完成的，我們認(rèn)為需要引入增材制造新的工藝方法。

第三是增材制造仿真技術(shù)的應(yīng)用，可以減少前期研究的工作量，通過仿真技術(shù)的研究，解決殘余應(yīng)力和變形預(yù)測問題，缺陷預(yù)測和微觀組織演變問題，工藝設(shè)計階段支撐優(yōu)化問題，通過模擬仿真提供理論參考依據(jù)，成型過程中的應(yīng)力和變形，甚至開裂缺陷這些的預(yù)測，更重要的是減少工藝事業(yè)的迭代次數(shù)和研制周期，我們希望通過仿真解決的一些問題。

第四，增材制造技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)的集成。右邊是我們展示的一個模型，這展示一個機(jī)匣零件，機(jī)匣零件分布了好多凸臺，我們?nèi)绻�按照傳統(tǒng)方法制造，這個鍛件的厚度起碼是機(jī)匣壁的厚度加上凸臺的厚度，這個厚度就非常大，我們按傳統(tǒng)的方法制造，這銑下工需要家十天的時間，浪費(fèi)加工周期，銑去了大量的材料，這方面也不經(jīng)濟(jì)，我們想引用復(fù)合制造的方法，在鍛件技術(shù)上加一個增材制造，然后再進(jìn)行自使用加工，另外一方面可以在鑄件的基礎(chǔ)上增加增材制造，最后自適應(yīng)加工，增材加表面處理，對于修復(fù)零件我們可以先進(jìn)行修復(fù)，然后恢復(fù)性能熱處理，然后自石印加工，加表面強(qiáng)化，增材制造與傳統(tǒng)工藝復(fù)合工藝，解決新品加工和零件修復(fù)過程中降低成本，縮短周期的問題。

第五，我們想進(jìn)一步擴(kuò)展增材制造在航空發(fā)動機(jī)上應(yīng)用面。我們想結(jié)合國外的應(yīng)用案例，加上對增材制造技術(shù)的特點(diǎn)分析，我們想確定在航空發(fā)動機(jī)重點(diǎn)應(yīng)用的零件，包括薄壁內(nèi)，空腔內(nèi)等零件，確立這樣一些典型零件，我們突破一些關(guān)鍵技術(shù)，仿真技術(shù)，粉末制備技術(shù)，收縮和變形問題，支撐問題等等，通過這些關(guān)鍵問題的突破，一個是研制主要零件，另外建立數(shù)據(jù)庫，基于3D打印制造流程標(biāo)準(zhǔn)體系從而在航空發(fā)動機(jī)上進(jìn)行全面的推廣應(yīng)用。

四、技術(shù)合作模式探討
航空發(fā)動機(jī)零件對壽命和安全性要求比較高，所以3D打印零件的應(yīng)用也需要做一些深入細(xì)致的研究工作，所以這方面我們想和大家一塊開展這方面的研究工作。第一我們想從設(shè)計方面合作；第二是從工藝方面與相關(guān)高等院校合作，材料制備和檢測方面合作，設(shè)計方面，在設(shè)計的過程中引入一體化，輕量化設(shè)計的概念，關(guān)鍵要形成增材制造設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，然后增材制造件的考核驗證也需要設(shè)計完成，更重要是材料和數(shù)據(jù)的積累，在材料方面，設(shè)計的航空發(fā)動機(jī)用的材料成分比較復(fù)雜，所以我們面臨著一些新材料粉末合金研制的工作，希望和社會上進(jìn)行廣泛的合作，甚至包括材料對應(yīng)工藝參數(shù)的開發(fā)，都是我們要考慮的范疇。工藝方面我們自己購置兩臺激光熔復(fù)設(shè)備，做了一些基礎(chǔ)研究工作，希望和有優(yōu)勢的單位進(jìn)行合適，工程化應(yīng)用方面，復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件研制方面和工藝標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)方面，希望同社會上一些高等院校和研究所進(jìn)行廣泛的合作。還有在檢測方面，3D打印檢測也是一個很復(fù)雜的問題，我們希望在檢測方面同相關(guān)院校和研究所合作，今天我代表楊總給大家做簡單的匯報。

謝謝大家。