中國航發(fā)集團(tuán)：增材制造技術(shù)賦能航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵復(fù)雜構(gòu)件快速研發(fā)

來源：《工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)》

為滿足航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)復(fù)雜構(gòu)件快速研制需求，研究了基于數(shù)字化模型驅(qū)動和SLM（selective laser melting，選區(qū)激光熔化）增材制造技術(shù)的快速研發(fā)迭代技術(shù)。通過建立增材制造使能的高效正向研發(fā)模式，打通“設(shè)計(jì)—仿真—制造—驗(yàn)證—認(rèn)證”一體化迭代流程和技術(shù)路徑，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)級產(chǎn)品功能和性能最優(yōu)化開發(fā)。工程應(yīng)用實(shí)踐表明，該技術(shù)促進(jìn)了航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)向輕量化、集約化、高性能、高可靠性方向發(fā)展，推動復(fù)雜關(guān)鍵零部件/組件的創(chuàng)新研發(fā)與應(yīng)用，不僅可以縮短研制周期，還可降低研發(fā)成本，使系統(tǒng)研發(fā)效能大幅提升。

增材制造（additive manufacturing，AM）技術(shù)，亦稱3D（three-dimensional）打印，是一種兼顧精確成形和高性能成形的一體化制造技術(shù)，因具有高柔性、快速成形、不受零件形狀復(fù)雜程度約束等優(yōu)勢而深受航空航天領(lǐng)域工程研究人員的青睞。增材制造技術(shù)的基本原理為：首先在計(jì)算機(jī)中生成零件的三維CAD（computer aided design，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）模型，然后分層切片，將零件的三維形狀信息轉(zhuǎn)化為一系列二維形狀信息，并在計(jì)算機(jī)控制下沿特定路徑逐層沉積材料，最終形成零件的三維近凈形實(shí)體［1-5］。目前，在航空航天領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用最成熟的增材制造技術(shù)是金屬材料的選區(qū)激光熔化（selective laser melting，SLM）技術(shù)［6-8］。

增材制造技術(shù)可以引導(dǎo)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，提高部件與產(chǎn)品性能。2017年12月，美國通用電氣公司（General Electric Company，簡稱GE）研發(fā)的重型燃?xì)廨啓C(jī)的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率突破64%，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄，這歸功于燃燒室及噴嘴采用了創(chuàng)新設(shè)計(jì)與增材制造技術(shù)。美國SpaceX公司通過對火箭發(fā)動機(jī)中的鎳鉻高溫合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，利用德國EOS公司的金屬3D打印設(shè)備實(shí)現(xiàn)了材料“高強(qiáng)度、延展性、抗斷裂性和低可變性”等優(yōu)良屬性。但是，先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)材料加工難、部件形狀與結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工精度要求高的特點(diǎn)，仍然制約著發(fā)動機(jī)中薄壁、深腔、內(nèi)流道等復(fù)雜零部件效能最大化的制造能力［9-10］。

增材制造技術(shù)還可以大大減少零件數(shù)量，降低研制成本。GE公司最新研發(fā)的ATP（advanced turbine propeller，先進(jìn)渦輪螺旋槳）發(fā)動機(jī)是一類由深度3D打印制造的發(fā)動機(jī)，其超過三分之一的零部件采用增材制造，發(fā)動機(jī)零件數(shù)量減少了30%以上。其中，典型燃油噴嘴的零部件數(shù)量由20個(gè)減至1個(gè)，產(chǎn)品可靠性提升4倍，質(zhì)量減輕了25%。但目前航空發(fā)動機(jī)典型復(fù)雜構(gòu)件的增材制造技術(shù)仍存在難以兼顧效率和成本的問題，部分構(gòu)件已突破增材制造“控形”問題，但“控性”難度大，面臨著諸如高沉積速率下尺寸精度低及性能控制難等問題[11-13]。關(guān)注公眾號: 兩機(jī)動力先行，聚焦兩機(jī)關(guān)鍵技術(shù)！

增材制造技術(shù)也可使設(shè)計(jì)迭代變快，大大縮短研制周期。NASA（National Aeronautics and Space Administration，美國國家航空航天局）采用concurrent（同時(shí)迭代）來描述基于增材制造技術(shù)的產(chǎn)品的快速迭代過程，在2個(gè)月內(nèi)就解決了按傳統(tǒng)方法制造的火箭發(fā)動機(jī)軸與輪轂不合格的問題。但航空發(fā)動機(jī)中諸如控制系統(tǒng)等系統(tǒng)級構(gòu)架，由于其控制對象的復(fù)雜性和控制參數(shù)的多樣性，在研發(fā)過程中仍面臨著設(shè)計(jì)約束多、加工難度大、迭代周期長等問題。



綜上，筆者基于數(shù)字化模型驅(qū)動和SLM增材制造技術(shù)相融合的方法，對航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)復(fù)雜構(gòu)件（如燃油泵殼體、調(diào)節(jié)器殼體）的快速研制與迭代優(yōu)化進(jìn)行了研究。

1 基于數(shù)字化模型驅(qū)動的正向快速研發(fā)迭代與模型傳遞過程
針對航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)復(fù)雜多腔內(nèi)流道構(gòu)件的研制需求，建立了基于數(shù)字化模型驅(qū)動的正向快速研發(fā)模式，如圖1所示，打通“設(shè)計(jì)—仿真—制造—驗(yàn)證—認(rèn)證”一體化迭代流程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級產(chǎn)品功能和性能最優(yōu)化。該雙“V”形快速研發(fā)模式的核心是：從需求概念級模型到真實(shí)物理級實(shí)體是完全基于增材制造使能（3D使能）的模型驅(qū)動式數(shù)字線程來實(shí)現(xiàn)，其中數(shù)字線程包括需求信息、設(shè)計(jì)信息、材料參數(shù)、工藝參數(shù)以及測試驗(yàn)證數(shù)據(jù)等信息。

圖1 基于數(shù)字化模型驅(qū)動的正向快速研發(fā)模式

由虛擬模型到物理模型的數(shù)字化傳遞過程如圖2所示，主要分為3個(gè)過程：結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)過程、工藝模型設(shè)計(jì)過程和模型打印實(shí)現(xiàn)過程。

圖2 由虛擬模型到物理模型的數(shù)字化傳遞過程

在結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)過程中，首先根據(jù)航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)功能需求進(jìn)行指標(biāo)分析與架構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)結(jié)合發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)原型進(jìn)行相關(guān)物理參數(shù)定義，在功能需求與系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)約束下開展三維結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)，并運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化、等壁厚包絡(luò)設(shè)計(jì)方法等實(shí)現(xiàn)復(fù)雜油路空間布局、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、質(zhì)量等多個(gè)指標(biāo)的全局最優(yōu)，最終實(shí)現(xiàn)面向增材制造工藝的控制系統(tǒng)復(fù)雜構(gòu)件集約化結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建；然后采用多物理場聯(lián)合仿真技術(shù)，綜合考慮實(shí)際運(yùn)行場景下熱場、應(yīng)力場、流場、電磁場等載荷效應(yīng)，將仿真結(jié)果直接迭代回歸至集約化模型，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)端的快速迭代優(yōu)化；最后是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)的符合性確認(rèn)，由于增材制造工藝的特殊性，需要對結(jié)構(gòu)模型的關(guān)鍵表面進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)（余量設(shè)計(jì)），以此保證足夠的精加工余量，完成符合性確認(rèn)后才能將結(jié)構(gòu)模型傳遞至下一過程。

工藝模型設(shè)計(jì)主要是進(jìn)行虛擬仿真成形，實(shí)現(xiàn)模型成形方向和支撐設(shè)計(jì)、成形工藝仿真、參數(shù)化機(jī)器語言三者間的迭代優(yōu)化。將從上一過程傳遞來的模型（工藝設(shè)計(jì)結(jié)果）導(dǎo)入虛擬打印平臺，進(jìn)行初步成形方向和支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對于發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)復(fù)雜構(gòu)件而言，合理的成形方向不僅可以避免截面突變帶來的打印風(fēng)險(xiǎn)，還能提高內(nèi)部流道的成形質(zhì)量；支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是為保證在支撐面積最小的條件下實(shí)現(xiàn)成功打印。驗(yàn)證支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理以及工藝參數(shù)是否最優(yōu)，需要采用多尺度成形工藝仿真方法進(jìn)行迭代優(yōu)化。將最終的工藝支撐模型進(jìn)行切片分層處理，并根據(jù)工藝仿真結(jié)果設(shè)置打印工藝參數(shù)，利用一系列參數(shù)化的機(jī)器語言控制設(shè)備進(jìn)行打印成形。

模型打印實(shí)現(xiàn)過程包含將數(shù)字化結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)化為實(shí)體構(gòu)件及構(gòu)件質(zhì)量性能檢測的所有過程。由于虛擬仿真成形不能百分之百預(yù)測實(shí)際打印過程中的所有問題，且金屬粉末床熔融過程非常復(fù)雜，因此虛擬仿真成形質(zhì)量的過程控制顯得尤為重要。在該過程控制中，氧含量對構(gòu)件的冶金質(zhì)量有重要影響，因此需將成形過程的氧含量控制在合理范圍內(nèi)；熔池以及構(gòu)件表面溫度變化對熔池穩(wěn)定性、缺陷產(chǎn)生傾向、熱應(yīng)力演化很敏感，可借助紅外熱成像等技術(shù)對成形過程溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，為工藝優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐；同時(shí)，設(shè)備內(nèi)置的監(jiān)控相機(jī)可實(shí)現(xiàn)鋪粉、燒結(jié)質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)打印風(fēng)險(xiǎn)，形成質(zhì)量保證與質(zhì)量追溯的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

2 面向增材制造的設(shè)計(jì)
2.1 面向增材制造的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
面向增材制造的設(shè)計(jì)（design for additive manufacturing，DFAM）改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，從零件的三維CAD模型出發(fā)，無需模具，直接制造零件，大大降低了成本和縮短了研制周期［14-17］。以輕量化、集約化為目標(biāo)的DFAM的技術(shù)路徑如圖3所示。

以某型航空發(fā)動機(jī)燃油控制裝置設(shè)計(jì)為例，由于傳統(tǒng)制造工藝的限制，殼體內(nèi)部錯綜復(fù)雜的油路給殼體的高效加工制造帶來了巨大挑戰(zhàn)。若設(shè)計(jì)成供油模塊殼體和計(jì)量模塊殼體組合而成的分體式結(jié)構(gòu)，如圖4（a）所示，減重效果非常有限，航空發(fā)動機(jī)燃油控制裝置經(jīng)濟(jì)性較差。而采用DFAM，從功能優(yōu)先的設(shè)計(jì)角度出發(fā)，根據(jù)功能性需求設(shè)計(jì)出所需復(fù)雜構(gòu)件的幾何形狀和內(nèi)部構(gòu)造，再進(jìn)行功能模塊的集成一體化設(shè)計(jì)，則可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件的輕量化、集約化設(shè)計(jì)目標(biāo)，基于DFAM的復(fù)雜構(gòu)件結(jié)構(gòu)如圖4（b）所示，而后，經(jīng)過一系列的增材制造工藝過程，便可實(shí)現(xiàn)真實(shí)復(fù)雜殼體的加工制造，如圖4（c）所示。

圖3 面向增材制造的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)路徑

圖4 某型發(fā)動機(jī)燃油控制裝置復(fù)雜殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2 多物理場聯(lián)合仿真優(yōu)化
針對基于DFAM的復(fù)雜構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型，需要通過多物理場聯(lián)合仿真的快速迭代優(yōu)化和驗(yàn)證來證明該設(shè)計(jì)模型是否為有限約束條件下的全局最優(yōu)化設(shè)計(jì)。復(fù)雜構(gòu)件的振動/模態(tài)仿真和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真屬于應(yīng)力場的動靜態(tài)特性仿真，可利用有限元方法仿真得到復(fù)雜構(gòu)件在極限載荷下的動靜態(tài)特性；流場仿真主要是依據(jù)銳邊節(jié)流孔假設(shè)和計(jì)算流體動力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）理論來對復(fù)雜構(gòu)件內(nèi)部復(fù)雜油路的壓力損失和波動特性進(jìn)行仿真優(yōu)化；熱場仿真則是對復(fù)雜構(gòu)件由內(nèi)向外的散熱特性和由外向內(nèi)的防火/耐火特性進(jìn)行動態(tài)熱平衡（補(bǔ)償/抑制）設(shè)計(jì)的仿真優(yōu)化。航空發(fā)動機(jī)復(fù)雜構(gòu)件多物理場聯(lián)合仿真優(yōu)化如圖5所示。經(jīng)聯(lián)合仿真優(yōu)化后，得到最終的復(fù)雜構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型。

2.3 工藝設(shè)計(jì)與仿真優(yōu)化
2.3.1 余量設(shè)計(jì)和支撐設(shè)計(jì)
基于增材制造的工藝設(shè)計(jì)包括工藝余量設(shè)計(jì)和工藝支撐設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)路徑為：將完成工藝余量設(shè)計(jì)的工藝余量模型傳遞至工藝支撐設(shè)計(jì)中，經(jīng)優(yōu)化后最終生成帶有工藝余量的工藝支撐模型，其具體技術(shù)流程如圖6所示。

在工藝余量設(shè)計(jì)過程中，首先將三維結(jié)構(gòu)模型擬精加工表面進(jìn)行標(biāo)記處理，以區(qū)別于模型其他表面；然后根據(jù)工藝余量設(shè)計(jì)指南等約束文件對標(biāo)記表面進(jìn)行余量設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮精加工的可切削性、材料利用率、對后處理的影響等；最后進(jìn)行余量檢查，即在裝配模塊中，將三維結(jié)構(gòu)模型與工藝余量模型進(jìn)行數(shù)模對比，判斷每個(gè)標(biāo)記面的余量設(shè)置是否正確，若全部滿足要求則輸出工藝余量設(shè)計(jì)模型。

圖5 航空發(fā)動機(jī)復(fù)雜構(gòu)件多物理場聯(lián)合仿真優(yōu)化

圖6 基于增材制造的工藝設(shè)計(jì)流程

在工藝支撐設(shè)計(jì)過程中，首先將工藝余量模型導(dǎo)入支撐設(shè)計(jì)軟件平臺進(jìn)行復(fù)雜構(gòu)件成形角度優(yōu)化評估，基于支撐面積最小、流道成形質(zhì)量最佳、打印面積最小且不宜有面積突變情況等原則設(shè)計(jì)構(gòu)件的最優(yōu)擺放角度；然后考慮復(fù)雜構(gòu)件的成形復(fù)雜性，進(jìn)行支撐的自定義設(shè)計(jì)，主要包括支撐臨界角度優(yōu)化、非必要支撐面刪除和高風(fēng)險(xiǎn)支撐面添加等；最后在專用支撐數(shù)據(jù)庫中提取相關(guān)的支撐類型與參數(shù)，生成工藝支撐模型。需要注意的是，工藝支撐設(shè)計(jì)需結(jié)合工藝仿真進(jìn)行虛擬驗(yàn)證，從而實(shí)現(xiàn)支撐設(shè)計(jì)優(yōu)化的快速迭代。

2.3.2 工藝仿真優(yōu)化
金屬SLM成形的特點(diǎn)是粉末材料的逐點(diǎn)沉積，因此對熔池尺度的工藝仿真是解析成形微觀機(jī)理的關(guān)鍵，同時(shí)也是進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化的有效途徑。當(dāng)研究對象為宏觀尺度構(gòu)件時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注對宏觀構(gòu)件產(chǎn)生顯著影響的因素，如溫度和應(yīng)力。綜合考慮構(gòu)件的微觀與宏觀特性，提出了多尺度聯(lián)合工藝仿真優(yōu)化方法，如圖7所示，主要涉及熔池級熱-固耦合與構(gòu)件級應(yīng)力-變形的跨尺度仿真過程。

SLM增材制造過程涉及的工藝參數(shù)眾多，包括激光功率、光斑直徑、掃描速度、掃描路徑、搭接率等，各工藝參數(shù)間存在強(qiáng)耦合且相互影響，因此難以實(shí)現(xiàn)對成形微觀過程的完整解析和工藝優(yōu)化。熔池尺度的工藝仿真涉及熔池?zé)崃康膫鬏�、熔池與粉末顆粒的交互、熔池形態(tài)演化、熔池穩(wěn)定性、熔池動力學(xué)等諸多復(fù)雜物理現(xiàn)象，通過建立工藝參數(shù)與上述物理現(xiàn)象的解耦敏感度模型，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的最優(yōu)篩選。當(dāng)研究對象為實(shí)際構(gòu)件時(shí)，構(gòu)件形狀復(fù)雜程度對其溫度場分布、熱應(yīng)力和熱變形的影響尤為顯著，通過多尺度聯(lián)合工藝仿真，可快速建立構(gòu)件的成形、基板切割、熱處理、去支撐等一系列虛擬制造過程，根據(jù)仿真結(jié)果對構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、成形方向設(shè)計(jì)、支撐設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行評估與優(yōu)化，并預(yù)測打印過程可能存在的風(fēng)險(xiǎn)與隱患，為實(shí)際打印過程提供仿真數(shù)據(jù)支持。

圖7 航空發(fā)動機(jī)復(fù)雜構(gòu)件多尺度聯(lián)合工藝仿真優(yōu)化方法

3 增材制造實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)問題
3.1 金屬粉末原材料的質(zhì)量
金屬粉末原材料的質(zhì)量對增材制造效率和最終產(chǎn)品的性能至關(guān)重要。在材料層形成時(shí)，金屬粉末的流動、壓縮是產(chǎn)品性能的決定性因素；金屬粉末物理特性的差異性可導(dǎo)致堆積密度不一致、分層明顯，最終導(dǎo)致產(chǎn)品抗拉強(qiáng)度低以及表面光潔度不夠。研究表明，并非所有的金屬粉末都適用于增材制造，由于受到形貌、顆粒尺度、流動性等因素的影響，有些粉末在成形過程中會產(chǎn)生球化、孔隙、裂紋等缺陷。鑒于航空發(fā)動機(jī)零部件嚴(yán)苛的運(yùn)行工作環(huán)境及可靠性、安全性要求，對金屬粉末原材料的質(zhì)量要求就更高，因此在一定程度上制約了國內(nèi)增材制造技術(shù)在航空發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用［18］。

粉末原材料特性主要包括物理特性和化學(xué)特性，其中物理特性包括粉末顆粒的球形度、粒徑分布、流動性和松裝密度等；化學(xué)特性包括粉末顆粒的合金元素含量，氧、氮、氫含量，合金粉末純度，粉末抗氧化性等。目前，國內(nèi)還沒有成熟的評價(jià)方法或標(biāo)準(zhǔn)來判定金屬粉末材料對成形工藝的適用性。結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用實(shí)踐，總結(jié)出金屬粉末原材料特性、質(zhì)量控制和過程傳遞三者的相互關(guān)系和控制邏輯，如圖8所示。在實(shí)際打印前，每批次粉末均應(yīng)經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量檢測，如元素含量檢測、清潔度檢測、夾雜物檢測、流動性檢測、粒徑分布檢測及球形度檢測等，并根據(jù)頂層約束判定檢測結(jié)果是否滿足要求，只有滿足檢測要求的粉末才能用于增材制造。檢測合格的粉末經(jīng)混粉、篩分、烘干和裝填等步驟傳遞至打印設(shè)備粉倉進(jìn)行打印。打印結(jié)束后剩余粉末進(jìn)行循環(huán)使用前，仍有必要對循環(huán)粉末進(jìn)行質(zhì)量檢測，特別是經(jīng)多次循環(huán)后的粉末，若粉末的球形度、氧含量等指標(biāo)惡化，應(yīng)更換新粉進(jìn)行打印。

圖8 金屬粉末原材料特性、質(zhì)量控制和過程傳遞之間的相互關(guān)系

3.2 快速成形制造
在復(fù)雜構(gòu)件的快速成形制造過程中，打印過程的閉環(huán)控制是實(shí)現(xiàn)成功打印的關(guān)鍵，具體快速成形制造過程如圖9所示。

圖9 復(fù)雜構(gòu)件快速成形制造過程

在原材料準(zhǔn)備階段，進(jìn)行粉末原材料的物理特性和化學(xué)特性檢測、多批次粉末循環(huán)使用質(zhì)量控制、篩分、烘干等，確保成形源頭的質(zhì)量可靠性；在設(shè)備調(diào)節(jié)與打印階段，根據(jù)操作標(biāo)準(zhǔn)和作業(yè)規(guī)范進(jìn)行設(shè)備調(diào)節(jié)與打印，確保打印過程的可重復(fù)性；在過程監(jiān)控階段，通過使用嵌入設(shè)備的紅外熱成像儀、高分辨率相機(jī)等硬件，對成形過程的溫度、打印質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決打印過程中出現(xiàn)的問題，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集保存，以備后期的質(zhì)量追溯；在取件與清粉階段，依據(jù)工藝規(guī)范進(jìn)行操作，同時(shí)對剩余粉末進(jìn)行質(zhì)量檢測后傳遞至原材料端，完成發(fā)動機(jī)復(fù)雜構(gòu)件快速成形制造的閉環(huán)控制過程。

3.3 后處理技術(shù)
增材制造成形的構(gòu)件需經(jīng)過特定的后處理后才能最大程度地發(fā)揮其應(yīng)有的性能�；�于增材制造的航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)復(fù)雜構(gòu)件的后處理主要包括熱處理、噴砂、噴丸、化學(xué)光整和磨粒流體光整等，如圖10所示。關(guān)注公眾號: 兩機(jī)動力先行，聚焦兩機(jī)關(guān)鍵技術(shù)！

SLM增材制造成形過程中高溫梯度、快冷卻速度使構(gòu)件內(nèi)部微觀組織極為細(xì)小，構(gòu)件性能普遍優(yōu)于鑄件或與鍛件相當(dāng)。熱處理可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度與塑性的最佳匹配，從而顯著提高構(gòu)件的綜合力學(xué)性能，通常采用（真空）熱處理爐或熱等靜壓（hot isostatic pressing,HIP）方式；噴砂、噴丸作為一種外表面處理技術(shù)，可對成形構(gòu)件外表面粘粉、氧化皮等物質(zhì)進(jìn)行有效機(jī)械去除，使構(gòu)件外表面粗糙度得到一定程度的改善（通�？商岣叩絉a6.3 μm）；化學(xué)光整主要通過能與構(gòu)件發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的特定濃度酸堿液交替對構(gòu)件進(jìn)行清洗，使得構(gòu)件金屬表面與溶液發(fā)生輕微化學(xué)反應(yīng)以去除相應(yīng)材料，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件內(nèi)外表面非選擇性光整；磨粒流體光整屬機(jī)械選擇性拋光，通過一定壓力將半固態(tài)磨料壓入構(gòu)件某一條或多條流道內(nèi)，由磨粒與流道內(nèi)表面產(chǎn)生的磨削作用去除材料，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件內(nèi)表面的光整加工。通過調(diào)節(jié)磨料特性，并配合專用工裝，可使流道內(nèi)表面獲得較高的表面質(zhì)量（甚至達(dá)到鏡面），因此特別適合對航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)復(fù)雜構(gòu)件內(nèi)流道進(jìn)行光整處理。

圖10 基于增材制造的航空發(fā)動機(jī)復(fù)雜構(gòu)件的后處理

3.4 質(zhì)量檢測評估與驗(yàn)證
產(chǎn)品質(zhì)量檢測評估與驗(yàn)證是增材制造產(chǎn)品真正實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用的關(guān)鍵步驟，具體實(shí)施途徑如圖11所示，主要包括產(chǎn)品質(zhì)量檢測、產(chǎn)品功能和性能驗(yàn)證與產(chǎn)品符合性認(rèn)證三部分，通過對產(chǎn)品進(jìn)行逐級評估與驗(yàn)證，最終達(dá)到適航認(rèn)證目標(biāo)。

圖11 基于增材制造的產(chǎn)品質(zhì)量檢測評估與驗(yàn)證流程

完成成形構(gòu)件后處理流程后，首先進(jìn)行產(chǎn)品零部件質(zhì)量檢測，從控形/控性的角度分別對產(chǎn)品的尺寸精度、表面精度等形貌特性，成形缺陷，力學(xué)特性、高頻疲勞特性等性能進(jìn)行檢測；在零部件質(zhì)量檢測滿足要求的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行配裝產(chǎn)品的功能和性能驗(yàn)證，如根據(jù)產(chǎn)品使用場景開展流量壓力特性考核和環(huán)境驗(yàn)證考核等；而后開展系統(tǒng)級產(chǎn)品綜合驗(yàn)證和整機(jī)級臺架試驗(yàn)考核；最后，進(jìn)行與適航認(rèn)證相關(guān)的一系列驗(yàn)證與確認(rèn)，確保滿足飛行安全性要求。

對于任何一個(gè)產(chǎn)品來說，在產(chǎn)品質(zhì)量檢測評估與驗(yàn)證過程每一階段形成的質(zhì)量信息數(shù)據(jù)，均包含產(chǎn)品檢測和驗(yàn)證的所有數(shù)據(jù)信息，因此每個(gè)特定的產(chǎn)品均對應(yīng)與其自身質(zhì)量性能相關(guān)的特定數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)由管理平臺進(jìn)行管理形成產(chǎn)品質(zhì)量信息數(shù)據(jù)庫，并跟隨產(chǎn)品服役的全生命周期過程，這不僅可以為系統(tǒng)級產(chǎn)品滿足適航要求提供保障，而且可對服役過程中發(fā)生的任何產(chǎn)品局部損傷、失效等問題進(jìn)行追溯、分析與查證。此外，產(chǎn)品質(zhì)量信息數(shù)據(jù)庫中產(chǎn)品檢測與評估的相關(guān)數(shù)據(jù)可回歸迭代至工藝模型和成形參數(shù)，產(chǎn)品功能和性能驗(yàn)證和符合性認(rèn)證的相關(guān)數(shù)據(jù)可回歸迭代至設(shè)計(jì)模型和仿真模型，實(shí)現(xiàn)模型和參數(shù)的修正與優(yōu)化。

4 工程應(yīng)用實(shí)踐
以某型渦軸發(fā)動機(jī)燃油調(diào)節(jié)器離心泵研發(fā)為例，采用基于數(shù)字化模型驅(qū)動和SLM增材制造技術(shù)的快速研發(fā)迭代技術(shù)，從需求/概念開始，經(jīng)過一維架構(gòu)設(shè)計(jì)、三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、多物理場仿真優(yōu)化、模型審查與確認(rèn)、工藝設(shè)計(jì)與仿真優(yōu)化、成形與后處理、質(zhì)量檢測評估和裝置級試驗(yàn)驗(yàn)證等八大步驟，在創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝仿真、成形質(zhì)量等方面進(jìn)行了突破，其具體實(shí)現(xiàn)過程如圖12所示。將建模、仿真和優(yōu)化融為一體，完全實(shí)現(xiàn)了由需求概念到真實(shí)物理級產(chǎn)品快速、高效、可靠的交付，研制周期由傳統(tǒng)研發(fā)模式的1年以上縮短為現(xiàn)在的不足3個(gè)月，同時(shí)產(chǎn)品的零部件數(shù)量減少10%，質(zhì)量減小約20%，大大節(jié)約了產(chǎn)品的研制成本，目前已通過了部件試驗(yàn)、數(shù)控系統(tǒng)半物理模擬試驗(yàn)、發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)以及相關(guān)環(huán)境驗(yàn)證考核，試驗(yàn)結(jié)果表明各項(xiàng)指標(biāo)性能均符合設(shè)計(jì)和制造要求。

圖12 渦軸發(fā)動機(jī)燃油調(diào)節(jié)器離心泵快速研發(fā)迭代的實(shí)現(xiàn)過程

5 結(jié)論

提出了基于數(shù)字化模型驅(qū)動和SLM增材制造技術(shù)的航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)復(fù)雜構(gòu)件快速研發(fā)迭代技術(shù)，通過研究與工程應(yīng)用實(shí)踐，得到了如下結(jié)論：

1）基于數(shù)字化模型驅(qū)動和SLM增材制造技術(shù)的快速研發(fā)迭代技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造一體化，針對航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)的需求概念到結(jié)構(gòu)、工藝設(shè)計(jì)，基于數(shù)字化模型驅(qū)動的正向研發(fā)模式，減少了試錯環(huán)節(jié)，提高了研發(fā)效率，為航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)研發(fā)模式轉(zhuǎn)型升級奠定了基礎(chǔ)。

2）面向SLM增材制造技術(shù)的復(fù)雜構(gòu)件輕量化、集約化設(shè)計(jì)與成形制造，為航空航天復(fù)雜構(gòu)件設(shè)計(jì)提供了一種高柔性、短周期、低成本的使能手段，不僅突破了傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝的局限性，而且促進(jìn)形成了航空航天復(fù)雜構(gòu)件創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思路，引導(dǎo)設(shè)計(jì)與制造向功能一體化的“自由設(shè)計(jì)、簡單制造”方向發(fā)展。

3）研究促進(jìn)了航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)和部件向輕量化、集約化、高性能、高可靠性方向發(fā)展，為航空發(fā)動機(jī)正向自主研發(fā)提供了全新的完整的解決方案。