增材制造技術(shù)在燃?xì)廨啓C(jī)研制中的應(yīng)用研究

來(lái)源：國(guó)恒工業(yè)云平臺(tái)

在燃?xì)廨啓C(jī)研制階段，需要對(duì)零部件設(shè)計(jì)進(jìn)行多次改進(jìn)迭代。為解決傳統(tǒng)加工方式周期長(zhǎng)、成本高的問(wèn)題，將增材制造技術(shù)應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)研制過(guò)程中。借助于金屬3D打印設(shè)備，開(kāi)展了燃?xì)廨啓C(jī)關(guān)鍵部件增材制造成
型研究；借助于非金屬3D打印機(jī)，開(kāi)展了燃?xì)廨啓C(jī)模型的成型研究。結(jié)果顯示，增材制造技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)具有非常復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的零部件的高效、快速成型，而不必借助額外的工裝。將增材制造技術(shù)應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)研制過(guò)程有助于快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)迭代，縮短研發(fā)周期、節(jié)約研制成本、提高產(chǎn)品性能，適應(yīng)于先進(jìn)高性能燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展趨勢(shì)。

增材制造是近年來(lái)快速發(fā)展的一種數(shù)字制造技術(shù)。根據(jù)美國(guó)測(cè)試和材料協(xié)會(huì)（American Society of Testing Materials，ASTM）標(biāo)準(zhǔn)，增材制造被定義為“一種借助三維模型數(shù)據(jù)制造零件的方法，通常是將材料一層一層地連接起來(lái)，而不是通過(guò)機(jī)械加工的方式”。相比于傳統(tǒng)加工方式，增材制造技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)具有非常復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的零部件的高效、快速成型，而不必借助于額外的工裝或工具。另外，采用增材制造技術(shù)可以減少組件數(shù)量、減輕零件質(zhì)量、提高零件強(qiáng)度。在航空領(lǐng)域有些非承力部件有減重的需求，借助增材制造技術(shù)可實(shí)現(xiàn)一些具有空間周期性的內(nèi)嵌網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)及其他形式多孔結(jié)構(gòu)的零件的快速成型，而在增材制造技術(shù)出現(xiàn)以前，這類(lèi)結(jié)構(gòu)是無(wú)法被加工出來(lái)的。

增材制造技術(shù)研究現(xiàn)狀
在燃?xì)廨啓C(jī)低排放燃燒室的研制過(guò)程中，需要對(duì)燃燒室結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行多次改進(jìn)迭代，而其中一些零部件（如旋流器）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用傳統(tǒng)加工方式只能通過(guò)鑄造實(shí)現(xiàn)。而鑄造周期長(zhǎng)且開(kāi)模成本高，客觀上影響了低排放燃燒室研制迭代的周期。將增材制造技術(shù)應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的研制能夠縮短研制周期，加快產(chǎn)品迭代設(shè)計(jì)進(jìn)程，節(jié)省研制成本。在低排放燃燒室的研制過(guò)程中，由于貧燃預(yù)混方案的采用，極易引發(fā)振蕩燃燒現(xiàn)象。為抑制振蕩燃燒，往往采用蜂窩吸聲結(jié)構(gòu)（如圖1）。而類(lèi)似這種多孔結(jié)構(gòu)，只能采用增材制造技術(shù)加工。

美國(guó)通用電氣公司（GeneralElectricCompany，GE）和德國(guó)西門(mén)子公司針對(duì)增材制造技術(shù)在燃?xì)廨啓C(jī)研制中的應(yīng)用開(kāi)展了大量的研究，并取得了相當(dāng)豐富的研究成果。GE于2016年成立了GEAdditive公司，并開(kāi)始研制基于增材制造的LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴（圖2）。采用傳統(tǒng)方式制造的LEAP噴嘴結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由20多個(gè)組件構(gòu)成，每個(gè)組件需要單獨(dú)加工，最后組裝在一起，生產(chǎn)周期長(zhǎng)。采用增材制造技術(shù)后，組件數(shù)量由20多個(gè)減少為1個(gè)，燃油噴嘴的質(zhì)量較之前減輕25%，噴嘴強(qiáng)度提高5倍，成本節(jié)省30%。截至2021年8月，GE奧本工廠已累計(jì)生產(chǎn)3D打印LEAP噴嘴超過(guò)10萬(wàn)件。

GE于2018年試飛的ATP發(fā)動(dòng)機(jī)采用了大量3D打印零件（圖3），涵蓋了機(jī)油箱、軸承座、框架、排氣機(jī)匣、燃燒室、換熱器和固定流道等部件。將855個(gè)傳統(tǒng)加工零件（占總零件數(shù)的35%）替換為12個(gè)增材制造零件。這些3D打印零件均采用了拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下使得發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量更輕，油耗節(jié)省20%。

西門(mén)子SGT-700/800燃燒室前端采用激光選區(qū)熔化（selective laser melting，SLM）技術(shù)制造后，由原來(lái)的13個(gè)組件和18個(gè)焊接處縮減為1個(gè)組件和2個(gè)焊接處[9]，交付周期縮短了15%，修復(fù)速度提升60%，整套燃燒器的制造速度提升85%。

西門(mén)子公司突破了基于增材制造的渦輪導(dǎo)葉和工作葉片的研發(fā)和應(yīng)用技術(shù)，使用增材制造技術(shù)生產(chǎn)的轉(zhuǎn)子葉片已經(jīng)通過(guò)滿(mǎn)負(fù)荷核心機(jī)試驗(yàn)的考核。葉片安裝在西門(mén)子公司的SGT-400工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)上，輸出功率為13MW。試驗(yàn)中使用的葉片由材料解決方案公司負(fù)責(zé)生產(chǎn)。該增材制造葉片使用的是多晶鎳超合金粉末，可以經(jīng)受高溫、高壓和高轉(zhuǎn)速工況下產(chǎn)生的巨大離心力。經(jīng)試驗(yàn)檢驗(yàn)，產(chǎn)品的表面粗糙度、精度和材料參數(shù)等對(duì)確保部件運(yùn)行起到關(guān)鍵作用的指標(biāo)得到驗(yàn)證。

中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七零三研究所是我國(guó)船用及工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)研發(fā)基地，其燃?xì)廨啓C(jī)專(zhuān)業(yè)研究方向已覆蓋研發(fā)設(shè)計(jì)、成型工藝、軟件開(kāi)發(fā)、試驗(yàn)驗(yàn)證等多個(gè)領(lǐng)域，正嘗試將增材制造技術(shù)逐步應(yīng)用于船用及工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)關(guān)鍵部件的研發(fā)設(shè)計(jì)與加工制造。目前在用燃?xì)廨啓C(jī)研制過(guò)程中重點(diǎn)開(kāi)展了金屬材料增材制造領(lǐng)域中的SLM技術(shù)和非金屬材料領(lǐng)域中的熔融沉積（fused deposition modeling，F(xiàn)DM）技術(shù)研究，并取得了較為豐富的研究成果。

增材制造技術(shù)研究方法
2.1金屬增材制造流程
SLM是金屬增材制造技術(shù)中最常見(jiàn)的一種形式。其主要步驟如下。

1）前處理：首先設(shè)計(jì)打印零件的CAD數(shù)字模型，將CAD模型轉(zhuǎn)化為STL文件，借助Magics或其他同類(lèi)軟件將STL文件切片處理輸出SLI切片文件，隨后將SLI文件導(dǎo)入打印機(jī)。

2）成型：成型過(guò)程如圖4所示。首先在打印機(jī)成型艙內(nèi)成型平臺(tái)上鋪一層很�。ㄍǔ�為0.04mm左右）的金屬粉末，鋪粉完畢后，高能量密度的激光束會(huì)根據(jù)導(dǎo)入的模型信息熔化選定區(qū)域內(nèi)的金屬粉末。為保護(hù)金屬在熔化過(guò)程中不被氧化，成型艙內(nèi)要被充入高純度的保護(hù)性氣體（氬氣或氮?dú)猓�。該層激光掃描完成后，成型平臺(tái)下降一個(gè)層厚，鋪上新一層粉末，開(kāi)始下一輪激光掃描。該過(guò)程將被不斷重復(fù)，直至整個(gè)零件被成型出來(lái)。

3）后處理：成型后的零件一般需要進(jìn)行后處理，主要流程包括粉末清理、固溶熱處理、線切割、支撐去除、表面質(zhì)量改善、零件尺寸檢驗(yàn)和無(wú)損檢驗(yàn)（熒光檢驗(yàn)、X射線檢驗(yàn)等）。根據(jù)材料特性和零件類(lèi)型，工藝路線可調(diào)整。

由于生產(chǎn)過(guò)程中的剩余金屬粉末可回收再利用，SLM技術(shù)相比于傳統(tǒng)加工方式可大幅節(jié)省原材料的消耗。本文重點(diǎn)采用了SLM技術(shù)開(kāi)展了燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室零部件的設(shè)計(jì)、加工及試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.2非金屬增材制造流程
FDM技術(shù)的成型過(guò)程如圖5，原理是將絲狀的熱塑性材料（通常為ABS、PLA），通過(guò)帶加熱的噴頭加熱熔化，噴頭在計(jì)算機(jī)的控制下，移動(dòng)到成型區(qū)域的指定位置，將熔融狀態(tài)的材料鋪覆在上一層已凝固的材料上，這樣的過(guò)程不斷重復(fù)，直到整個(gè)零件被打印出來(lái)。

本文采用基于FDM技術(shù)的非金屬材料增材制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了燃燒室零部件的打印成型。

金屬材料選區(qū)熔化技術(shù)應(yīng)用實(shí)例
3.1旋流器增材制造研究
燃燒室旋流器若采用鑄造方式生產(chǎn)，生產(chǎn)周期長(zhǎng)達(dá)5個(gè)月且開(kāi)模成本很高，在研發(fā)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)段，需要反復(fù)改進(jìn)設(shè)計(jì)，導(dǎo)致研發(fā)成本高、研發(fā)周期長(zhǎng)。為縮短研發(fā)設(shè)計(jì)周期，采用SLM增材制造技術(shù)進(jìn)行旋流器成型。

旋流器增材制造研制流程為：旋流器增材制造結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)—金屬粉末材料選取—SLM增材制造工藝參數(shù)調(diào)試—產(chǎn)品成型—后處理及相關(guān)檢驗(yàn)—產(chǎn)品性能試驗(yàn)驗(yàn)證。

為了適應(yīng)SLM技術(shù)成型的要求，對(duì)原有旋流器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適應(yīng)性調(diào)整：將旋流器外部結(jié)構(gòu)（圖6）優(yōu)化為支撐最小化菱形結(jié)構(gòu)。在不影響產(chǎn)品性能的前提下，提高成型的成功率。考慮到燃燒室部件屬于高溫部件，采用鎳基高溫合金GH3536作為成型材料，可耐溫950℃。采用SLM技術(shù)成型的旋流器通過(guò)了關(guān)鍵尺寸檢驗(yàn)、熒光檢驗(yàn)，并通過(guò)了旋流器流量試驗(yàn)測(cè)試。最終，基于SLM技術(shù)成型的旋流器（圖7）將生產(chǎn)周期壓縮到2個(gè)月以?xún)?nèi)，節(jié)約了生產(chǎn)成本，縮短了設(shè)計(jì)迭代周期。

3.2混合器增材制造研究

火焰筒混合器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含多個(gè)冷卻環(huán)帶結(jié)構(gòu)，還有非均勻布置的氣膜冷卻孔，如圖8所示。若采用鑄造方式生產(chǎn)，因零件壁厚較�。�約2mm），液態(tài)金屬流動(dòng)性差，不能一體成型，否則會(huì)產(chǎn)生大量的疏松、裂紋等缺陷，只能分段鑄造，需要開(kāi)設(shè)多個(gè)模具，鑄造成功率較低，制造成本非常高。為解決這一問(wèn)題，研發(fā)借助SLM技術(shù)制造混合器。為滿(mǎn)足更高的耐溫要求，打印材料采用GH5188（耐溫1000℃)。

研究中開(kāi)展了混合器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在不影響產(chǎn)品使用性能的前提下，對(duì)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行微調(diào)，顯著提高了3D打印成型成功率；通過(guò)恰當(dāng)?shù)臄[放實(shí)現(xiàn)了無(wú)支撐方案成型。整個(gè)混合器采用增材制造一體成型，減少了焊縫，有效降低了由焊接帶來(lái)的變形。混合器增材制造實(shí)物如圖9所示。

基于SLM制造的某型火焰筒尾部，通過(guò)了三維尺寸掃描、熒光檢測(cè)。該技術(shù)解決了復(fù)雜薄壁零件采用傳統(tǒng)加工方式制造困難的問(wèn)題，并節(jié)約了生產(chǎn)成本，提高了研發(fā)設(shè)計(jì)迭代速度。

3.3火焰筒分段成型增材制造研究
傳統(tǒng)火焰筒筒身示意如圖10所示，傳統(tǒng)火焰筒筒身采用一定數(shù)量的錐筒及混合器、嵌入件、冷卻環(huán)、座圈等拼接焊接而成�；旌掀鞑捎帽“宀臎_壓制成；嵌入件、冷卻環(huán)、座圈則采用鑄造成型，鑄造需要開(kāi)模，周期長(zhǎng)、成本高，且鑄造成功率較低；錐筒使用薄板母材滾壓成型后焊接成錐筒形狀，組裝焊接前需要保證每個(gè)錐筒的尺寸精度，且錐筒為薄壁件，所以對(duì)焊接工藝要求極高；每個(gè)錐筒上分布有60~120個(gè)氣膜冷卻孔，需要通過(guò)電火花打孔成型。這些工藝導(dǎo)致用傳統(tǒng)加工方式生產(chǎn)火焰筒工序繁多、生產(chǎn)周期長(zhǎng)。

在低排放燃燒室的研制過(guò)程中，設(shè)計(jì)階段需要對(duì)火焰筒的主燃孔、摻混孔以及冷卻孔的大小、位置、分布方式進(jìn)行多次調(diào)整，以達(dá)到更優(yōu)越的性能，提高火焰筒的生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)周期。為解決這一問(wèn)題，開(kāi)展SLM技術(shù)在火焰筒生產(chǎn)的實(shí)例研究（圖11），打印材料為GH3128。

在基于SLM成型的一體化火焰筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，將原有通過(guò)焊接相連的錐筒合并為一個(gè)整體，大幅減少了焊接工序；3D打印成型實(shí)現(xiàn)了主燃孔、摻混孔及氣膜冷卻孔的直接成型，節(jié)省了電火花打孔工序。如采用傳統(tǒng)的加工方式，火焰筒包含30多個(gè)零組件，生產(chǎn)周期長(zhǎng)達(dá)8個(gè)月；采用增材制造技術(shù)后，零部件數(shù)量縮減至13個(gè)，生產(chǎn)周期可縮短至3個(gè)月。

3.4旋流噴嘴增材制造研究
燃燒室旋流噴嘴結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，旋流葉片由復(fù)雜曲面構(gòu)成，葉片內(nèi)部含有流道內(nèi)腔。采用傳統(tǒng)加工方式制造，需要采用鑄造和機(jī)械加工相結(jié)合的方式，在少量生產(chǎn)的情況下成本高。為解決這一問(wèn)題，研究采用SLM技術(shù)生產(chǎn)旋流噴嘴（圖12），為滿(mǎn)足耐溫需求，打印材料為GH5188。

為提高成型成功率，減少支撐數(shù)量，采用了將旋流噴嘴葉輪、外筒、燃料桿分別成型，然后焊接的方式加工。打印件通過(guò)了三維尺寸掃描、熒光檢測(cè)，將旋流噴嘴的加工周期縮短50%以上。

3.5渦輪葉片增材制造研究
燃?xì)廨啓C(jī)渦輪導(dǎo)葉內(nèi)部有非常復(fù)雜的冷卻通道（圖13），若采用鑄造方式成型，成本高、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成功率低。為解決這一問(wèn)題，研究采用SLM技術(shù)直接成型，材料為GH3625。

在研究過(guò)程中，為提高成型成功率，多次對(duì)渦輪葉片的擺放角度進(jìn)行調(diào)整；為提升表面粗糙度，對(duì)葉片表面進(jìn)行了噴砂處理。零件通過(guò)了外形尺寸的檢測(cè)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)增材制造成型的渦輪葉片如圖14所示。

非金屬材料熔融沉積技術(shù)應(yīng)用實(shí)例
基于非金屬材料的FDM技術(shù)常用于展示教學(xué)模型、鑄造模具的快速成型。在燃?xì)廨啓C(jī)研發(fā)過(guò)程中，可用于打印方案設(shè)計(jì)模型，便于觀察復(fù)雜零部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)、分析裝配關(guān)系等。

基于非金屬材料的FDM技術(shù)，對(duì)某型號(hào)火焰筒進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，并打印了火焰筒1/4剖切模型，如圖15所示。該火焰筒模型主體部分為一體化打印成型，旋流器、座圈、定位器單獨(dú)打印并粘接在主體部分上。該模型可用于火焰筒結(jié)構(gòu)展示使用，能夠非常直觀地看到火焰筒的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。

在開(kāi)展某型燃?xì)鈬娮煸霾闹圃爝m應(yīng)性改進(jìn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，將FDM技術(shù)應(yīng)用于方案模型的打印中（圖16）。為便于觀察噴嘴內(nèi)部流道詳細(xì)結(jié)構(gòu)，打印模型為2個(gè)半剖模型，可通過(guò)銷(xiāo)釘組合在一起。

基于FDM技術(shù)開(kāi)展了某型燃?xì)廨啓C(jī)展示模型的設(shè)計(jì)及打印工作，如圖17所示，對(duì)真實(shí)尺寸燃?xì)廨啓C(jī)按比例縮放，并對(duì)一些結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)進(jìn)行簡(jiǎn)化。模型整體由2000多個(gè)零部件組成，總質(zhì)量約18kg。此外，還打印了某型燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力渦輪的展示模型如圖18所示，模型轉(zhuǎn)子部分可在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)。

結(jié)論
本文依托中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七零三研究所在船用及工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域的研發(fā)基礎(chǔ)，嘗試將增材制造技術(shù)運(yùn)用到燃?xì)廨啓C(jī)部件的制造中�；�于金屬材料的SLM技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了旋流器、火焰筒尾部、火焰筒、旋流噴嘴等零部件的成型；基于非金屬材料的FDM技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了火焰筒、燃?xì)鈬娮�、燃�(xì)廨啓C(jī)整機(jī)及動(dòng)力渦輪模型的成型。在研究過(guò)程中，研發(fā)團(tuán)隊(duì)結(jié)合自身專(zhuān)業(yè)優(yōu)勢(shì)，將增材制造思想融入部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，使得改進(jìn)后的零部件既能滿(mǎn)足其功能性要求，又能提高打印成型的成功率，燃燒室部件生產(chǎn)周期得到顯著縮短，提升了研發(fā)設(shè)計(jì)效率。在研究過(guò)程中形成了一定的技術(shù)積累，為后續(xù)的研究奠定了基礎(chǔ)。

另外，在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，增材制造技術(shù)并不適用于所有類(lèi)型的零件。包含大量實(shí)體部分的零件，在基于SLM技術(shù)成型過(guò)程中，由于燒結(jié)橫截面過(guò)大，導(dǎo)致熱量積累，散熱困難，會(huì)引起零件成型過(guò)程中變形翹曲，導(dǎo)致成型失敗。此類(lèi)問(wèn)題有待于進(jìn)一步解決。

燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域是設(shè)計(jì)密集型產(chǎn)業(yè)，無(wú)論是前期的設(shè)計(jì)過(guò)程，還是后期的維修保養(yǎng)過(guò)程，都涉及到復(fù)雜結(jié)構(gòu)非標(biāo)準(zhǔn)零件的快速成型。未來(lái)增材制造技術(shù)與燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)的相互融合有助于兩者的協(xié)同發(fā)展。結(jié)合全球主要的燃?xì)廨啓C(jī)制造商（美國(guó)GE、德國(guó)西門(mén)子、日本三菱）對(duì)增材制造技術(shù)在燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室部件研發(fā)生產(chǎn)中的應(yīng)用情況，預(yù)計(jì)增材制造技術(shù)在燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的未來(lái)應(yīng)用研究重點(diǎn)包括：1）燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件的維修、備件按需打��；2）增材制造思想與燃燒室部件設(shè)計(jì)思想的深度融合；3）探索更多新型高溫合金材料的增材制造應(yīng)用；4）更大尺寸燃燒室部件的快速、高效成型。