噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)零件的增材設(shè)計(jì)與制造

來(lái)源：長(zhǎng)三角G60激光聯(lián)盟

噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)零件的增材設(shè)計(jì)（AD）和增材制造（AM）將徹底改變傳統(tǒng)航空航天工業(yè)。AM的獨(dú)特特性，如梯度材料和微結(jié)構(gòu)，為噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和制造開(kāi)辟了新的方向。工程師已經(jīng)從與傳統(tǒng)方法和技術(shù)相關(guān)的許多限制中解放出來(lái)。設(shè)計(jì)與制造之間的合作是包括空氣動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、結(jié)構(gòu)集成、傳熱、材料開(kāi)發(fā)和機(jī)械加工等領(lǐng)域成功的關(guān)鍵。本文詳細(xì)討論了AD和AM需要什么，以及如何解決當(dāng)前的問(wèn)題。

“增材制造”（AM）的概念包括從微觀到宏觀構(gòu)建零件。目前，除了傳統(tǒng)的鑄造和鍛造方法外，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)零件的特殊幾何形狀通常采用傳統(tǒng)的減法加工方法，如銼削、車(chē)削、銑削和研磨金屬塊上的材料。然而，這些過(guò)程無(wú)法處理具有復(fù)雜內(nèi)部子結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。精密鑄造在處理“理想”內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)也有限制。

在激光粉末床融合（LPBF）工藝（一種增材制造（AM）工藝）中，高能量密度激光束用于根據(jù)從三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）數(shù)據(jù)接收的指令，以逐層方式快速選擇性地熔化金屬粉末。LPBF工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：由于回收未使用的粉末，制造復(fù)雜形狀的零件，減少裝配零件的數(shù)量和避免工具成本等，材料使用效率高。此外，LPBF具有良好的可重復(fù)性和中等生產(chǎn)率，因此在直接制造中等數(shù)量的中高表面質(zhì)量的高質(zhì)量零件方面越來(lái)越受歡迎。

（a）用于模態(tài)分析的AM支架組件的有限元模型，（b）有限元預(yù)測(cè)支架組件在85.6 Hz下的基本振動(dòng)模式，描繪了AM支架的軸向變形模式。

由于安全性的關(guān)鍵方面、效率的主要方面以及成本的關(guān)鍵方面，AM是迄今為止噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)零件的最佳選擇。如圖1所示，據(jù)估計(jì)，75%以上的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)零件因其形狀不規(guī)則和結(jié)構(gòu)復(fù)雜而適合AM應(yīng)用。然而，這種適用性的最重要原因是，所有傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造方法都有局限性，無(wú)法滿足噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)零件制造所涉及的材料和工藝的競(jìng)爭(zhēng)要求。

圖1 AM的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用。（a）渦輪風(fēng)扇噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)；（b）燃料噴嘴；（c）高壓渦輪噴嘴；（d）高壓渦輪葉片。

AM代表了人類(lèi)進(jìn)化的一個(gè)步驟，因?yàn)槲覀儚耐ㄟ^(guò)鍛造或切割來(lái)制造產(chǎn)品過(guò)渡到通過(guò)添加材料來(lái)制造產(chǎn)品，這是一種更接近自然過(guò)程的方法。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，AM最明顯的優(yōu)勢(shì)是能夠處理非常復(fù)雜的形狀，尤其是內(nèi)部形狀。AM的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其節(jié)省材料的能力；由于AM中沒(méi)有多余的材料被浪費(fèi)，因此它的使用與貴重材料特別相關(guān)。AM的其他獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，如梯度材料的使用以及將不同材料組合成單一結(jié)構(gòu)的能力，在此不再詳細(xì)討論，因?yàn)槠�今為止，它們�(nèi)狈ψ銐蚨嗟臄?shù)據(jù)來(lái)支持它們。

支架中裂縫表面的SEM顯微照片：a）位置1的裂紋萌生位點(diǎn)，b）位置1的裂紋擴(kuò)展區(qū)，c）位置4的裂紋萌生位點(diǎn)，d）位置4的裂紋擴(kuò)展區(qū)，e）位置5的裂紋萌生位點(diǎn)，f）位置5的裂紋擴(kuò)展區(qū)。

表面粗糙、空隙和孔隙率分?jǐn)?shù)較大的LPBF零件通常具有較短的疲勞壽命。應(yīng)該注意的是，LPBF零件的不同表面上可能存在明顯不同的粗糙度，具體取決于零件內(nèi)表面的方向。對(duì)于在垂直平面上成一定角度定向的LPBF試樣，發(fā)現(xiàn)向下的表面（即朝向構(gòu)建板）具有比朝上表面更高的表面粗糙度。朝下的表面建立在粉末上，其導(dǎo)熱系數(shù)低于固化材料。這導(dǎo)致更少的散熱，因此，更多的粉末顆粒被部分熔化并粘在表面上。重力導(dǎo)致無(wú)支撐層的熔池下垂到下面的未熔化粉末中，這也是下表面較粗糙的一個(gè)因素。任何這種可能的差異都被判斷為很小，因?yàn)楦鶕?jù)對(duì)支架和拉伸試樣表面的目視檢查，觀察到表面質(zhì)量和粗糙度是一致的，同樣光滑。這種一致性是意料之中的，因?yàn)椋海╥）支架和拉伸試樣是在同一構(gòu)建中制造的，（ii）支架的構(gòu)建方向根據(jù)使用的支撐腿數(shù)量進(jìn)行了優(yōu)化，以及（iii）噴砂是在 LPBF 構(gòu)建后進(jìn)行的。

有了AM，可以通過(guò)涉及多種材料的單一工藝制造組件，而不需要任何連接機(jī)構(gòu)，如螺栓、螺母等。例如，可以用具有不同機(jī)械性能的不同材料制造零件，以滿足零件內(nèi)不同位置的不同要求；這些不同的特性可能包括強(qiáng)度、頻率、剛度、高周疲勞（HCF）或低周疲勞（LCF）、耐腐蝕性和蠕變特性。使用AM，可以直接根據(jù)最終用戶的要求設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并且不必因?yàn)橹圃斓牟豢尚行远�妥協(xié)。到目前為止，我們?nèi)狈Ψ治龃祟?lèi)結(jié)構(gòu)的方法、工具、標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)。，

BT2測(cè)試期間前五個(gè)故障位置的測(cè)試支架圖片：（a）第一次故障，（b）第二次故障，（c）第三次故障，以及（d）第四次和第五次故障。

過(guò)去，研究人員根據(jù)所涉及材料的機(jī)械性能來(lái)判斷復(fù)雜結(jié)構(gòu)是合理的，因?yàn)樗麄內(nèi)狈�客戶設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)曲線和數(shù)據(jù)、功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)、有限元方法以及能夠探索和可視化結(jié)構(gòu)內(nèi)部的檢測(cè)技術(shù)。直到現(xiàn)在，工程師們普遍的做法是在評(píng)估結(jié)構(gòu)時(shí)，在材料的力學(xué)性能之上引入“安全系數(shù)系數(shù)”。

航空業(yè)中的大多數(shù)結(jié)構(gòu)失效（>50%）是由于疲勞失效。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上，支架用于支撐傳感器、控制單元、線束和管道。這些支架通常由鈑金或傳統(tǒng)加工工藝制成，旨在以最少的材料實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和剛度，并且必須滿足歐洲航空安全局（EASA）的嚴(yán)格認(rèn)證要求。然而，這些設(shè)計(jì)通常未經(jīng)優(yōu)化，比初始重量目標(biāo)重，因此會(huì)導(dǎo)致油耗增加和排放。

由于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)零件具有明確定義的空氣動(dòng)力學(xué)形狀，因此幾乎無(wú)法進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，因此其關(guān)鍵設(shè)計(jì)要求是在多個(gè)尺度上進(jìn)行分層設(shè)計(jì)集成的能力。到目前為止，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)界的大多數(shù)人仍然被傳統(tǒng)的思維方式所束縛：大多數(shù)工程師仍在爭(zhēng)論材料的機(jī)械性能，而不是結(jié)構(gòu)本身的性能。即使有了AM，大多數(shù)研究人員和工程師仍在研究如何通過(guò)制造某種多孔材料而不是多孔結(jié)構(gòu)來(lái)改進(jìn)他們的設(shè)計(jì)。最流行的多孔材料是晶格材料。為了確定多孔結(jié)構(gòu)，有必要設(shè)計(jì)每個(gè)空隙單元的形狀、尺寸、位置和方向。單元胞的概念與多孔結(jié)構(gòu)的概念非常接近。迄今為止，AM中僅使用了蜂窩結(jié)構(gòu)作為分層結(jié)構(gòu)。

應(yīng)力消除后LPBF Ti-6Al-4V樣品的EBSD圖像，截面平行于構(gòu)建方向:(a) IPF Z0圖揭示了晶體學(xué)取向和跨越多層的先驗(yàn)β晶界，(b)通過(guò)PF集的晶體學(xué)織構(gòu)，其中PF =極圖，IPF =反極圖。

在LPBF工藝中，熔融金屬的反復(fù)加熱和冷卻以及隨后的快速冷卻產(chǎn)生了LPBF Ti-6Al-4V的復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)。從液相線溫度（1670°C）冷卻后，熔體開(kāi)始凝固成β相，β晶粒開(kāi)始形成。低于β溫度（995°C），β相在高冷卻速率（>410°C/s）下轉(zhuǎn)變?yōu)棣?馬氏體相，在緩慢冷卻速率（<20°C/s）下轉(zhuǎn)變?yōu)棣料郲35]。在LPBF過(guò)程中，冷卻速率高，通過(guò)無(wú)擴(kuò)散/消融轉(zhuǎn)化導(dǎo)致α馬氏體相成核。α的馬氏體針從這些位置生長(zhǎng)，同時(shí)在先前β顆粒的邊界內(nèi)和邊界，并相互相遇，形成籃形編織類(lèi)型的微觀結(jié)構(gòu)，具有高自由位錯(cuò)密度和/或?qū)\生。

CT掃描結(jié)果：（a）掃描體積與發(fā)現(xiàn)缺陷的分布，（b）毛孔形狀因子的分布。

制作和分析具有地下蜂窩結(jié)構(gòu)的零件有兩個(gè)挑戰(zhàn)。一個(gè)是在沒(méi)有輔助支撐的情況下創(chuàng)建懸垂形狀結(jié)構(gòu)的能力。另一個(gè)是計(jì)算成本的可承受性，這決定了可以為細(xì)胞結(jié)構(gòu)構(gòu)建多詳細(xì)的模型。

我們的解決方案是創(chuàng)建一個(gè)空心球體有限元，而不是由元素組成的球體。與其他類(lèi)型的現(xiàn)有單元一樣，這種空心球有限元具有由其半徑、厚度和孔定義的幾何規(guī)格。由于球體的對(duì)稱形狀，空心球有限單元的本構(gòu)方程很簡(jiǎn)單。除了球體具有許多優(yōu)越的機(jī)械性能外，使用球形結(jié)構(gòu)的最重要原因是它不需要AM的輔助支撐。這種解決方案需要全新的理論、方法和工具，以及訓(xùn)練有素的工程師。

拉伸試樣TT1斷裂表面的SEM顯微照片（a）中央粗糙和外唇部分的劃分，（b）中央粗糙部分指示孔隙，LOF空隙和準(zhǔn)解理刻面，以及（c）顯示淺凹坑的中央部分的放大視圖。

柱狀先β晶粒、α'晶粒和晶界α晶粒（α國(guó)標(biāo)）也會(huì)影響LPBF Ti-6Al-4V的延展性。α國(guó)標(biāo)晶粒比α的晶粒更柔軟，是損傷積累的主要部位。在拉伸變形時(shí)，應(yīng)變主要定位在α晶粒中，而那些從加載方向取向45°的α晶粒是這種定位的主要位點(diǎn)。α晶粒的邊界特別容易產(chǎn)生界面塑性，以適應(yīng)與周?chē)�晶�?微觀結(jié)構(gòu)的應(yīng)變不相容性。應(yīng)變定位導(dǎo)致α晶粒內(nèi)形成空隙，隨后導(dǎo)致材料的最終斷裂，該斷裂是延性和脆性斷裂的混合物，其中斷裂表面包含凹陷和解理特征。此外，層間出現(xiàn)的微空隙導(dǎo)致層的結(jié)合較弱，在拉伸載荷的作用下，這些層打開(kāi)并隨后生長(zhǎng)和聚結(jié)，導(dǎo)致LPBF Ti-6Al-4V合金的延展性下降。

由于設(shè)計(jì)領(lǐng)域的顛覆性變化，以及從制造過(guò)程的傳統(tǒng)約束中獲得的緩解，工程師已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。此外，工程師可以主動(dòng)設(shè)計(jì)具有期望振動(dòng)模式形狀、失效模式、壽命分布等的結(jié)構(gòu)�；�于典型的渦輪風(fēng)扇噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，我們估計(jì)使用AM可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)帶來(lái)巨大的改進(jìn)，并可以提高其效率、安全性、可靠性和成本效益（圖2）。

圖2 通過(guò)AD/AM對(duì)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的增值改進(jìn)。圖中的綠色塊是那些有很大潛力用AD/AM改進(jìn)的塊。

例如，空心風(fēng)扇葉片（圖3）必須滿足鳥(niǎo)擊要求、頻率調(diào)諧要求、HCF和LCF要求、偏轉(zhuǎn)要求等。如何以和諧的方式滿足所有這些要求是設(shè)計(jì)工程師的目標(biāo)。與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法不同，無(wú)需在空氣動(dòng)力學(xué)工程師、結(jié)構(gòu)工程師和制造工程師之間反復(fù)傳遞設(shè)計(jì)。相反，團(tuán)隊(duì)的每個(gè)成員現(xiàn)在都可以設(shè)計(jì)一個(gè)“最佳”零件，而無(wú)需考慮其他學(xué)科的限制，因?yàn)榭梢愿淖儾牧虾偷叵挛⒂^結(jié)構(gòu)。

圖3 風(fēng)扇葉片設(shè)計(jì)的當(dāng)前風(fēng)扇葉片方法和未來(lái)。DB/SPF：擴(kuò)散粘結(jié)/板材超塑性成形。

使用AD和AM，高溫、高壓和高速渦輪葉片可以比以往任何時(shí)候都具有更好的空氣動(dòng)力學(xué)性能、傳熱性能和應(yīng)力分布；這將最終導(dǎo)致性能和成本方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)。例如，通過(guò)更好的傳熱效率設(shè)計(jì)（圖4），冷卻結(jié)構(gòu)將能夠更好地降低熱梯度和溫度；這將使材料在其允許范圍內(nèi)工作。同時(shí)，由于存在較少的材料和較低的熱梯度，結(jié)構(gòu)或部件將承受較少的離心力和熱約束應(yīng)力。AD的優(yōu)點(diǎn)包括：①降低質(zhì)量和離心力的中空結(jié)構(gòu)；②更好的冷卻結(jié)構(gòu)，其降低溫度及其梯度以降低熱應(yīng)力和提高效率；③替代單晶合金以降低成本的微結(jié)構(gòu)；和④使用AM代替精密鑄造，以確保質(zhì)量并縮短上市時(shí)間。未來(lái)，我們可能不需要特殊的高溫合金和單晶金屬零件的特殊鑄造工藝，單晶金屬的成本非常昂貴，質(zhì)量難以保證（圖5）。不必關(guān)注材料，因?yàn)榭梢园才艃?nèi)部微觀結(jié)構(gòu)以降低溫度梯度、增強(qiáng)傳熱、減少質(zhì)量和應(yīng)力。

圖4 AD/AM用于高壓渦輪葉片的更好冷卻結(jié)構(gòu)。（a）不同的冷卻機(jī)制；（b）渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

圖5 如圖所示，3D打印將徹底改變渦輪葉片設(shè)計(jì)，改變我們對(duì)特殊材料的依賴。（a）材料的潛力有限；（b）整體葉片轉(zhuǎn)子的冷卻結(jié)構(gòu)。TBC：熱障涂層；SX：?jiǎn)尉Ш辖�；CMC：陶瓷基復(fù)合材料。

據(jù)報(bào)道，在應(yīng)變控制的循環(huán)測(cè)試中，與應(yīng)力控制的LCF測(cè)試相比，由于循環(huán)軟化引起的裂紋擴(kuò)展延遲導(dǎo)致更好的疲勞壽命。在循環(huán)荷載作用下，位錯(cuò)子結(jié)構(gòu)的演化發(fā)生在α/α晶粒內(nèi)形成低角度邊界（LAB）的地方。LAB起源于α相和β相的界面，是一系列邊緣或螺桿型位錯(cuò)[9]，逐漸導(dǎo)致空隙成核，生長(zhǎng)和聚結(jié)，導(dǎo)致循環(huán)載荷時(shí)斷裂。對(duì)于變形或應(yīng)變的材料，從EBSD檢查中獲得的高KAM值表明高位錯(cuò)密度/高局部應(yīng)變。而低 KAM 值表明主要變形機(jī)制是由于晶界滑動(dòng)而不是由于亞晶粒/LAB 的形成。

將“LT3”和“LT4”LCF測(cè)試的竣工和斷裂樣品之間的EBSD結(jié)果與IPF圖和KAM圖進(jìn)行比較。

研究了晶粒尺寸和自由位錯(cuò)密度的演變，以分析它們對(duì)循環(huán)軟化的影響，使用EBSD掃描對(duì)接收到的LPBF Ti-6Al-4材料和LCF試樣LT3和LT4的縱向切割截面進(jìn)行（以更高的塑性水平進(jìn)行測(cè)試）。從上圖可以看出基線微觀結(jié)構(gòu)由子晶粒的均勻分布和KAM密度組成，即位錯(cuò)均勻分布在較大的α晶粒內(nèi)。這種自由位錯(cuò)密度的增加通常是由于以下因素的組合：（i）易于位錯(cuò)湮滅和（ii）隨后的位錯(cuò)恢復(fù)。由于LT4試樣僅經(jīng)歷了59個(gè)周期，而LT3試樣則經(jīng)歷了294個(gè)周期，因此LT4試樣的平均KAM（1.03）低于LT3試樣的平均KAM（1.38）。與LT3試樣相比，高SR、應(yīng)力提升特征引發(fā)的次級(jí)微裂紋、次級(jí)裂紋聚結(jié)為擴(kuò)展的初級(jí)裂紋以及材料微觀結(jié)構(gòu)紋理的可能差異導(dǎo)致LT4試樣斷裂更快。

然而，許多未解決的問(wèn)題與AM有關(guān)，特別是對(duì)于需要應(yīng)用地下微結(jié)構(gòu)和/或梯度材料的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)部件。有必要在載荷和結(jié)構(gòu)或材料之間建立一種我們尚不具備的相應(yīng)的本構(gòu)關(guān)系。因此，傳統(tǒng)的分析工具，如有限元法，不能用于分析這種新型結(jié)構(gòu)，無(wú)論它是由梯度材料還是地下微結(jié)構(gòu)構(gòu)成。此外，這種全新結(jié)構(gòu)還沒(méi)有設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，也沒(méi)有相關(guān)的適航規(guī)定。

除了上述設(shè)計(jì)和制造問(wèn)題，以及對(duì)新分析標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)的要求，AM制造過(guò)程的速度太慢，必須克服。然而，從“減材”到“增材”制造的轉(zhuǎn)變是一場(chǎng)設(shè)計(jì)和制造的革命，將在我們生活的各個(gè)方面挑戰(zhàn)人類(lèi)。那些站在這場(chǎng)新革命前沿的人將改變世界（圖6）。

圖6 這門(mén)新的工程學(xué)科面臨著材料、力學(xué)、數(shù)學(xué)和物理方面的挑戰(zhàn)。AD/AM提供了改變世界的機(jī)會(huì)。

來(lái)源：Additive Design and Manufacturing of Jet Engine Parts. Engineering, doi.org/10.1016/J.ENG.2017.05.017

參考文獻(xiàn)：Fluid dynamics and heat transfer of turbomachinery, John Wiley and Sons Ltd., New York (1996);