應用案例│華曙3D打印將航空發(fā)動機火焰筒零件由9個優(yōu)化為1個

來源：華曙高科

燃燒室被稱為渦輪發(fā)動機的“心臟”，它承載著熱能傳遞和轉(zhuǎn)換的關鍵任務：持續(xù)消耗大量的高壓空氣，源源不斷地將燃料的化學能量轉(zhuǎn)化為提供渦輪正常運行所需的均勻熱能和穩(wěn)定氣流。

燃燒室中的火焰筒，沿著渦輪發(fā)動機的中心軸排布并與燃燒室殼體存在一定間隔�；鹧嫱驳膹碗s設計通常有眾多進氣孔，可以使在其中產(chǎn)生的過熱氣體迅速噴射通過，以達到燃油的點火溫度。

作為燃燒室的關鍵部件，火焰筒必須承受極端的高溫和高壓工作條件，并滿足正常工作所需的可靠性和效率。

中國航空航天和船舶工業(yè)發(fā)動機燃燒室和燃油噴射系統(tǒng)設計和制造領域的領先專家——北京成立科技有限公司（以下簡稱北京成立），采用華曙高科金屬增材制造技術開發(fā)了具有更高耐久性和輕量化的3D打印火焰筒。


傳統(tǒng)工藝制造面臨的挑戰(zhàn)
可靠性是火焰筒設計的一個重要考慮因素。在高溫、腐蝕性氣體、湍流脈動氣流等極端工況下，火焰筒在工作過程中持續(xù)承受著極大的熱應力。在這種極端工況下，常常會產(chǎn)生裂紋、燒蝕、剝落、變形等失效情況，因此火焰筒需要采用復雜的結(jié)構設計，以達到所需的強度和功能。這些結(jié)構包括濾筒、一次區(qū)、火焰筒體、氣孔和氣體放電等，都是用傳統(tǒng)方法難以制造的。

火焰筒壁設計有數(shù)百個不同尺寸的氣孔細節(jié)設計，包括一次空氣射流孔、二次空氣摻混射流孔和冷卻空氣射流孔。這些復雜的結(jié)構和特征導致零件設計難以使用傳統(tǒng)工藝制造。以往使用傳統(tǒng)方法制造，火焰筒必須拆分為多個單獨的零件制造，分別通過多種切割、彎曲，最后通過焊接工藝進行連接。

傳統(tǒng)工藝制造火焰筒的過程極其復雜，多種復雜的工序和眾多裝配的零件增加了操作過程中的誤差和損壞，這嚴重影響了火焰筒最終成品的可靠性，也直接導致了一直以來較高的測試失效率。與此同時，傳統(tǒng)工藝制造的裝配方式也給產(chǎn)品尺寸的精確控制帶來了極大困難，而精確的尺寸設計是保證燃燒過程高效率和氣流組織穩(wěn)定性的關鍵。此外，復雜的加工工序和裝配過程也導致了火焰筒設計開發(fā)過程中的設計迭代緩慢，制造周期長。

參數(shù)開源，定向開發(fā)燒結(jié)工藝
2017年初，北京成立采用了華曙金屬增材制造技術，以應對航空發(fā)動機零部件設計制造過程中的挑戰(zhàn)。華曙高科的開源金屬增材系統(tǒng)為復雜結(jié)構設計和開發(fā)火焰筒定制工藝參數(shù)提供了前所未有的自由度。

GH3536（UNS編號N06002）是一種廣泛用于航空航天渦輪燃燒室部件制造的鎳基高溫合金。此材料具有優(yōu)異的抗氧化性和耐腐蝕性，加工性能和焊接性能。通過華曙金屬增材制造系統(tǒng)打印GH3536材料，并結(jié)合不同的熱處理工藝，可開發(fā)出多種適合不同航空應用的性能參數(shù)。

作為中國采用金屬增材技術的航空航天業(yè)先鋒，北京成立采用華曙金屬3D打印設備FS271M合作定向開發(fā)了GH3536的定制工藝參數(shù)，以達到其特定應用所需的性能、熱處理工藝和表面質(zhì)量。得益于華曙的開源材料和開源參數(shù)的策略，成立航空能夠根據(jù)自身應用發(fā)展需求，進一步開發(fā)航空專用材料和定制化工藝參數(shù)。

一次成型，9個零件優(yōu)化為1個
經(jīng)過增材制造的設計優(yōu)化，原先需要分成9個單獨零件加工的火焰筒現(xiàn)在優(yōu)化為1個零件，并能通過華曙FS271M增材制造一次成型。

相比傳統(tǒng)制造，增材制造大大優(yōu)化了原先裝配工藝的復雜性，縮短了50%的生產(chǎn)周期，同時消除了因手工焊接造成的結(jié)構缺陷，提高了結(jié)構完整性、尺寸精度和生產(chǎn)成功率。通過增材制造打印，定制后處理工藝生產(chǎn)的火焰筒目前已通過高溫可靠性工況下的功能試驗。

此外，與原傳統(tǒng)工藝相比，增材制造生產(chǎn)的火焰筒在滿足相同強度要求的前提下，重量減輕了20%。這一關鍵燃燒室部件的輕量化意味著燃料燃燒效率的改善，可實現(xiàn)更遠的飛行距離，并提高飛行器的最大承載重量。此外，輕量化設計提高了燃燒燃油效率，有助于減少大氣污染。

得益于華曙先進的掃描策略，打印完成的火焰管可實現(xiàn)6μm的極佳表面質(zhì)量，從而減少后處理的需求。精確的掃描路徑規(guī)劃可實現(xiàn)直徑為0.5mm風孔等細節(jié)的打印。為金屬增材制造設計的火焰筒在保證設計功能的前提下，盡可能將額外的支撐結(jié)構降到最少，從而降低后處理需求并提高成品表面質(zhì)量。

北京成立科技有限公司
“我們有充分的信心與華曙進行深入的技術合作。使用華曙開源的設備平臺，我們的工程師可以充分去探索、開發(fā)多樣化的應用工藝參數(shù)，這讓我們不斷從中受益。我們的團隊目前使用的多臺華曙設備均處于滿負荷狀態(tài)，廣泛應用增材制造來推動多個項目的研究和零部件生產(chǎn)，從設計原型、小批量生產(chǎn)到和零件認證，涉及應用的眾多部件包括燃料噴嘴、噴油環(huán)、主燃料管、燃燒室部件、渦輪葉片、發(fā)動機葉輪、渦流器等等�！�

專業(yè)磨粒流拋光工藝，針對金屬打印件需要做內(nèi)型腔拋光去殘渣殘粉效果顯著，有需要可以聯(lián)系15850375316微信同號