南科大頂刊丨噴氣發(fā)動機部件的增材設計與制造

來源：增材制造碩博聯(lián)盟

噴氣發(fā)動機部件的增材設計（AD）和增材制造（AM）將徹底改變傳統(tǒng)的航空航天工業(yè)。增材設計的獨特性開創(chuàng)了噴氣發(fā)動機設計和制造的新方向，比如梯度材料和微觀結(jié)構(gòu)。工程師已經(jīng)從傳統(tǒng)方法和技術(shù)的諸多限制中解放出來。增材制造過程最重要的特征之一是其可以確保零件的一致性，因為它始于點，繼而到線和層面，直至整個部件完成。設計和制造之間的協(xié)調(diào)是空氣動力學、熱力學、結(jié)構(gòu)整合、傳熱、材料開發(fā)和加工等方面取得成功的關(guān)鍵。工程師必須改變設計零件的方式，因為他們要從傳統(tǒng)的“減材”方法轉(zhuǎn)移到“增材”的新方法來制造零件。增材設計與增材制造設計不一樣。我們需要一種新方法和新工具來協(xié)助這種新的設計和制方式。本文詳細討論了增材設計與增材制造中的需求，以及如何解決當前的問題。

論文下載鏈接：https://doi.org/10.1016/J.ENG.2017.05.017

增材制造（AM）是一種宏觀結(jié)構(gòu)與微觀組織一體化制造相結(jié)合的新技術(shù)。目前噴氣發(fā)動機部件的特殊幾何形狀一般采用傳統(tǒng)的減材加工方法，如銼削、車削、銑削、磨削金屬塊料等，另外還有傳統(tǒng)的鑄造和鍛造方法，但是這些工藝對制備具有復雜結(jié)構(gòu)的構(gòu)件存在局限。

增材制造金屬構(gòu)件由于具有低成本、短周期、高設計自由度及可靠性，是制造噴氣發(fā)動機部件的最佳選擇。如圖1所示，由于其形狀不規(guī)則和結(jié)構(gòu)復雜的特點，大約超過75%的噴氣發(fā)動機部件都適用于增材制造，突破傳統(tǒng)制備方法對構(gòu)件形狀設計的局限性能，使得從空氣動力學和結(jié)構(gòu)完整性的角度優(yōu)化設計噴氣發(fā)動機翼型成為可能。

圖1. 增材制造在噴氣發(fā)動機的應用。(a)渦輪風扇噴氣發(fā)動機；(b)燃料噴嘴；(c)高壓渦輪噴嘴；(d)高壓渦輪葉片。

增材制造代表了制備工藝發(fā)展的新階段，從通過鍛造或切削來制造產(chǎn)品過渡到通過增加材料來制造產(chǎn)品。相比傳統(tǒng)制造技術(shù)，增材制造最明顯的優(yōu)勢是能夠制備結(jié)構(gòu)復雜的構(gòu)件，尤其是復雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)。增材制造的另一個優(yōu)點是節(jié)省材料，尤其適用于貴金屬的加工制備。此外，增材制造還具有其他的獨特優(yōu)勢，能制備成分不一樣的梯度材料，在此不做詳細討論。

除了節(jié)省材料和減輕重量外，噴氣發(fā)動機在航空客運領域需保證飛行時的安全和高效，因此在一定程度上，增材制造無法替代傳統(tǒng)制備工藝，且增材制造與傳統(tǒng)制備工藝相比，從構(gòu)件生產(chǎn)“減法”到“加法”的顛覆性改變，使其制備工藝產(chǎn)生了許多新變量，從而影響最終產(chǎn)品性能。
增材制造的出現(xiàn)使通過采用單獨工藝制造多種材料的部件變得切實可行，且不需要任何諸如螺栓、螺母等連接元件。例如，為了滿足部件內(nèi)不同位置的不同要求，可以采用具有不同力學性能的不同材料制造該部件，這些不同的性能包括強度、頻率、剛度、高循環(huán)疲勞（HCF）或低循環(huán)疲勞（LCF）、耐腐蝕性和蠕變性能。通過增材制造，可以根據(jù)終端用戶的要求直接設計，并且不必考慮制備工藝對其形狀的局限。然而，目前噴氣發(fā)動機研究人員還沒有準備好利用增材制造來生產(chǎn)復合材料結(jié)構(gòu)，特別是在微觀尺度上，原因是目前缺乏分析這種結(jié)構(gòu)的方法、工具、條件和標準。梯度材料的結(jié)構(gòu)和（或）次表面的微觀結(jié)構(gòu)可能比復合結(jié)構(gòu)更加復雜——既非均質(zhì)的，也非各向同性，并且沒有明顯邊界或界面。

目前已有的固體結(jié)構(gòu)分析方法，如有限元法或固體力學和材料強度的傳統(tǒng)理論，不適用于具有梯度材料和（或）次表面微觀結(jié)構(gòu)的部件。胡克定律、泊松比和低循環(huán)疲勞和高循環(huán)疲勞的S-N曲線等實驗曲線都是基于“純”材料本身，而非基于所評估構(gòu)件的實際成分，因此雖然這些方法被廣泛使用，但其結(jié)果并不一定正確。

過去，研究人員根據(jù)涉及材料的力學性能對復雜結(jié)構(gòu)做出判斷是不合理的，因為他們?nèi)狈�具有強大分析能力的計算機、有限元法和檢測技術(shù)，因此工程師普遍使用的做法是在評估材料的力學性能時引入“安全系數(shù)”，然而由于缺乏連接材料特性與結(jié)構(gòu)的標準程序，這種做法的結(jié)果不甚理想，易導致高估或低估構(gòu)件強度或壽命。這是因為構(gòu)件的應力/應變通常是三維（3D）矢量，而材料的力學性能是從該材料的標準樣品獲得，并且在簡單的應力/應變狀態(tài)下進行測試，以便可以提出與材料特性相比較的“標準化”數(shù)字。除增材設計（AD）外，充分利用增材制造來構(gòu)建結(jié)構(gòu)才能解決這個問題，這是研究人員尚未涉及的領域。

對于噴氣式發(fā)動機，中空或內(nèi)部網(wǎng)格結(jié)構(gòu)以及梯度材料與強度、熱效率、傳熱和冷卻、剛度分布、固有頻率、壽命及所有其他結(jié)構(gòu)整合問題相關(guān)聯(lián)。與傳統(tǒng)的制造設計（DFM）不同，功能設計意味著優(yōu)化設計，使其更加高效和可靠。由于缺乏增材制造的能力，工程師通常無法對一個部件或發(fā)動機進行優(yōu)化。噴氣發(fā)動機的傳統(tǒng)設計是一個在材料工藝、傳熱、空氣動力學、結(jié)構(gòu)完整性、控制、機械系統(tǒng)和制造等不同方面折中的過程。然而，增材制造技術(shù)的特殊功能為改變傳統(tǒng)制造設計的概念提供了可能，通過改變工程師的設計愿景，其采用新的方法來滿足客戶的要求，并改善產(chǎn)品性能、效率、質(zhì)量和成本。這些功能包括形狀復雜性、層次復雜性、裝配復雜性和材料復雜性。

增材設計注重層次的次表面多孔結(jié)構(gòu)設計，以便“主動”設計一個從不同學科角度看具有解耦關(guān)系的部件。以噴氣發(fā)動機為例，空氣動力學工程師首先為流路創(chuàng)造了一個理想的形狀，結(jié)構(gòu)工程師將這個理想的形狀作為預定的邊界條件。為滿足零件結(jié)構(gòu)完整性的要求，結(jié)構(gòu)工程師可以保持理想的形狀不變，通過主動布置材料分布和微觀結(jié)構(gòu)來設計次表面結(jié)構(gòu)。

由于噴氣發(fā)動機部件具有明確的空氣動力學形狀，對其進行拓撲優(yōu)化幾乎是不可能的，其關(guān)鍵的設計要求是在多個尺度上進行分層設計。到目前為止，噴氣發(fā)動機設計界的大部分工程師仍然被傳統(tǒng)的思維方式困擾：他們?nèi)栽谟懻摬牧系牧�學性能，而非結(jié)構(gòu)本身的性能。即使在增材制造中，大多數(shù)研究人員和工程師仍然在研究如何通過創(chuàng)造某種多孔材料，而不是多孔結(jié)構(gòu)來改進其設計。最常見的多孔材料是一種晶格材料。為了定義多孔結(jié)構(gòu)，設計每個空單元的形狀、大小、位置和方向是很有必要。單元格的概念非常接近多孔結(jié)構(gòu)的概念。到目前為止，增材制造中只有多孔結(jié)構(gòu)被用作分層結(jié)構(gòu)。

最普遍的多孔結(jié)構(gòu)是基于梁的晶格結(jié)構(gòu)。這個概念繼承了傳統(tǒng)的拓撲思維和實踐方法，尤其是那些使用有限元分析等工具的方法。然而，增材制造的應用，將使結(jié)構(gòu)工程師不再受到人造類型的幾何結(jié)構(gòu)的約束，如自然界中不存在的晶格結(jié)構(gòu)。相反，他們受到網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，如人骨次表面的結(jié)構(gòu)。根據(jù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的功能要求，其在尺寸和形狀上具有不規(guī)則的分布。因此，增材制造設計中的挑戰(zhàn)之一是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)設計的民主化，而不受限于內(nèi)部或次表面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形狀和（或）尺寸。

在制造和分析具有次表面多孔結(jié)構(gòu)的部件方面存在兩個挑戰(zhàn)：其一是創(chuàng)建一個沒有輔助支持的懸空形狀結(jié)構(gòu)；其二是計算成本的承受能力，這決定了多孔結(jié)構(gòu)模型的細致程度。

我們的解決方案是創(chuàng)建一個空心球有限元，而不是由元件組成的球體，與其他類型的現(xiàn)有元件一樣，該空心球有限元件具有由其半徑、厚度及其上面的孔而限定的幾何規(guī)格。由于球體的對稱形狀，空心球有限元的本構(gòu)方程十分簡單，除了球體的許多優(yōu)越的力學性能之外，使用球形結(jié)構(gòu)最重要的原因是它不需要增材制造技術(shù)的輔助支撐。這個解決方案需要一個全新的理論、方法和工具，以及訓練有素的工程師。

在增材設計和增材制造的創(chuàng)新方面，我們面臨兩個關(guān)鍵的挑戰(zhàn)：第一個挑戰(zhàn)是設計具有梯度材料和（或）次表層微結(jié)構(gòu)的新部件，這樣的部件必須能夠滿足噴氣發(fā)動機部件的不同要求；第二個挑戰(zhàn)是要符合用于具有梯度材料和（或）次表面微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體的制造和應用的法規(guī)代碼的新標準。

由于擺脫了傳統(tǒng)制造過程的限制，設計領域發(fā)生了顛覆性的變化。工程師們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設計，這些設計甚至能夠?qū)е仑摕崤蛎�、負剛度、負泊松比等。此外，工程師可以主動地按需設計一個具有特定振動模式形狀、故障模式、壽命分布等的結(jié)構(gòu)�；�于典型的渦輪風扇噴氣發(fā)動機，我們預計可以使用增材制造技術(shù)對發(fā)動機進行大幅改進，提高其效率、安全性、可靠性和成本效益（圖2）。

圖2. 通過AD / AM對噴氣發(fā)動機進行增值改進。圖中綠色區(qū)域表示有很大潛力可以通過AD / AM進行改善。

例如，一個空心扇葉（圖3）必須滿足鳥擊要求、調(diào)頻要求、HCF和LCF要求、偏轉(zhuǎn)要求等，如何協(xié)調(diào)滿足所有要求是設計工程師的目標。與傳統(tǒng)的設計方法不同，它無需在空氣動力學工程師、結(jié)構(gòu)工程師和制造工程師之間來回重復地進行交互設計。相反，團隊中的每個成員現(xiàn)在都可以不必擔心受到其他學科的約束，而設計一個“最好”的部分，因為他們可以改變材料和次表面的微觀結(jié)構(gòu)。

圖3. 當前的扇葉設計方法和未來的扇葉設計。DB / SPF：擴散黏合/片材超塑成形。

通過增材設計和增材制造，可實現(xiàn)具有較優(yōu)空氣動力學性能、傳熱性能、應力分布及力學性能的高溫高壓高速渦輪葉片的制備，同時降低其制備成本。例如，在考慮較優(yōu)的傳熱效率的冷卻結(jié)構(gòu)設計中（圖4），對構(gòu)件中溫度梯度及溫度的最佳控制，使得材料在合適的溫度范圍內(nèi)工作。同時，由于材料較少，熱梯度較低，因此結(jié)構(gòu)或部件受到的離心力和熱約束的影響較小。

圖4. 通過AD / AM改善高壓渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)。（a）不同的冷卻機制；（b）渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

增材設計的優(yōu)點包括：

①中空結(jié)構(gòu)可以減少質(zhì)量和離心力；

②更好的冷卻結(jié)構(gòu)可降低溫度和梯度，降低熱應力，提高效率；

③用微觀結(jié)構(gòu)代替單晶合金能降低成本；

④用增材制造代替精密鑄造，保證質(zhì)量，縮短上市時間。

或許在不遠的將來，增材制造將完全取代傳統(tǒng)定向凝固技術(shù)制備單晶高溫合金（圖5），同時我們還可利用增材制造復雜結(jié)構(gòu)制備的優(yōu)勢，通過設計內(nèi)部冷卻通道、優(yōu)化構(gòu)件結(jié)構(gòu)及材料，降低構(gòu)件溫度、增強傳熱、減少應力。

圖5. 以渦輪葉片設計為例，3D打印將徹底改變渦輪葉片設計，并改變我們對特殊材料的依賴。(a)材料的潛力有限；(b)一體式葉片轉(zhuǎn)子的冷卻結(jié)構(gòu)。TBC：熱障涂層；SX：單晶合金；CMC：陶瓷基質(zhì)復合材料。

然而，目前還有許多與增材制造相關(guān)的問題尚未得到解決，尤其是對于復雜亞表面結(jié)構(gòu)或梯度材料，需要應用次表面微結(jié)構(gòu)和（或）梯度材料的噴氣發(fā)動機部件。在荷載和結(jié)構(gòu)或材料之間建立一個相應的本構(gòu)關(guān)系極其必要。因此，像有限元法這樣傳統(tǒng)的分析工具，不能用來分析這種新型的結(jié)構(gòu)，無論這種結(jié)構(gòu)是由梯度材料還是由次表面微結(jié)構(gòu)構(gòu)成的。此外，這種全新的結(jié)構(gòu)還沒有設計標準，也沒有相關(guān)的適航條例。除了上述的設計和制造問題，以及對新的分析標準和規(guī)定的要求之外，增材制造打印過程的速度太慢，這一問題也必須得以解決。盡管如此，制造業(yè)從“減材制造”到“增材制造”的飛躍是一場設計和制造領域的革命，這場革命將對人類生活的各個方面提出挑戰(zhàn)，處于這場新一輪革命最前沿的人們將改變整個世界（圖6）。

圖6. 這一新的工程學科面臨材料、力學、數(shù)學和物理領域的挑戰(zhàn)。AD / AM為改變世界提供了可能。