高性能航空發(fā)動機對零件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度要求越來越高，給傳統(tǒng)的制造工藝帶來了很大難度。隨著金屬增材制造技術(shù)的日益成熟，不少國外航空發(fā)動機制造商和零部件供應(yīng)商已經(jīng)將增材制造技術(shù)用于開發(fā)商業(yè)化的零部件，不斷擴大其在航空發(fā)動機上的應(yīng)用。在近日舉辦的2021 TCT亞洲峰會-航空航天論壇上，來自中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責(zé)任公司研究員雷力明分享了《航空發(fā)動機領(lǐng)域增材制造技術(shù)應(yīng)用進展》。
中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責(zé)任公司研究員雷力明
根據(jù)Wohlers Report 2020，全球2019年增材制造產(chǎn)值118.67億美元，僅占制造業(yè)產(chǎn)值的0.0927%。未來增材制造產(chǎn)品將在航空航天、醫(yī)療、模具、能源等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，預(yù)計產(chǎn)值可達到6,400億美元，占制造業(yè)產(chǎn)值的5%以上。2020-2026年之間的航空3D打印材料市場年復(fù)合增長率超過18%，其中，航空發(fā)動機年復(fù)合增長率為20%。
據(jù)雷力明介紹，目前在航空發(fā)動機領(lǐng)域，增材制造技術(shù)主要有四個應(yīng)用方向：直接制造、修復(fù)、快速原型和復(fù)合制造。
增材制造技術(shù)在航空發(fā)動機領(lǐng)域應(yīng)用的最新進展
● 2020年9月，GE航空公司宣布GE9X發(fā)動機通過獲得美國聯(lián)邦航空管理局（Federal Aviation Administration, FAA）的認證，GE9X是一款巨大的大涵道比渦扇發(fā)動機，單個發(fā)動機為新型雙引擎波音777X系列飛機提供約100,000磅推力，是目前世界上最大商用航空發(fā)動機。增材制造技術(shù)在GE9X發(fā)動機的制造中發(fā)揮著重要作用，共有304個3D打印的零件。
LEAP發(fā)動機通的燃油噴嘴是GE航空公司通過增材制造生產(chǎn)的第一個3D打印零部件。GE9X的燃油噴嘴與LEAP發(fā)動機的燃油噴嘴基本相同。這一部件的傳統(tǒng)制造方法是多片部件經(jīng)過鑄造、機加工和組裝制成，成本較高。GE航空公司采用增材制造技術(shù)將傳統(tǒng)工藝的20片部件組裝或焊接的結(jié)構(gòu)制造為一個部件，而且由于材料熔化迅速、局部加熱和冷卻等工藝步驟，使得在恰當(dāng)熱處理情況下，這種方法得到的制件具有接近鍛造的材料性能。
增材制造避免產(chǎn)生變形和形成微裂紋，實現(xiàn)了燃油噴射系統(tǒng)壽命提高4倍，質(zhì)量降低25％，研制成本進一步降低。每個GE9X發(fā)動機有28個燃油噴嘴，由鈷鉻合金3D打印而成。采用3D打印燃油噴嘴可以解決燃油混合和燃油噴射等問題，同時還可以減少制造成本，提高使用壽命。
● 在Safran集團與SLM Solutions的一個聯(lián)合項目中，雙方采用選區(qū)激光熔化技術(shù)成型了一款商務(wù)噴氣式飛機的前起落架組件，這也是全球范圍內(nèi)首次采用SLM技術(shù)進行超大尺寸航空零部件的3D打印工作。
該零件的尺寸為尺寸: 455×295×805mm，材質(zhì)為鈦合金，該零件的結(jié)構(gòu)要求非常嚴(yán)格，既需要在樞軸上轉(zhuǎn)動，保證起落架能夠自由收放，同時還需要吸收機輪的機械應(yīng)力。針對于此，SLM? 800擴展了垂直方向的成型尺寸，更加適合大型零部件的生產(chǎn)。該設(shè)備不僅運用了SLM Solutions四激光技術(shù)，同時還配置有更多創(chuàng)新功能，諸如擁有專利的風(fēng)場設(shè)計以及永久過濾系統(tǒng)，確保了設(shè)備穩(wěn)定性。
● 普惠公司（Pratt ＆Whitney）正在與ST Engineering合作，將3D打印的航空發(fā)動機部件應(yīng)用到其MRO（維護，修理和大修）業(yè)務(wù)中。兩家公司都在嘗試引入3D打印技術(shù)，以獲得更快、更靈活的維修解決方案。普惠公司的維修專家新加坡航天航空（CAS）也為該項目做出了貢獻。
該3D打印部件將用于普惠公司的發(fā)動機燃油系統(tǒng)部件上。兩家公司共同努力，完成并審查了技術(shù)數(shù)據(jù)集，不僅滿足普惠公司的質(zhì)量要求，而且還通過了航空法規(guī)審查。據(jù)說3D打印部件具有“減少傳統(tǒng)制造工藝對當(dāng)前材料供應(yīng)的依賴性的額外優(yōu)勢”。普惠公司認為，增材制造可能會影響整個MRO部門。
● 羅爾斯·羅伊斯（Rolls-Royce）公司發(fā)動機產(chǎn)品組合的最新成員是UltraFan。據(jù)報道，與第一代遄達發(fā)動機相比，UltraFan發(fā)動機的燃油效率提高了25%，具有新的發(fā)動機核心架構(gòu)，該系統(tǒng)的風(fēng)扇直徑為140英寸（約3.6米）。
借助碳鈦風(fēng)扇葉片和復(fù)合材料風(fēng)扇機匣，新發(fā)動機可將飛機的重量減輕多達680公斤。它還配備了新的齒輪設(shè)計架構(gòu)，可提供高效動力，以實現(xiàn)高推力和高涵道比。羅羅公司計劃在2022年進行一次完整的發(fā)動機地面測試，并將在不久后進行飛行測試。作為“清潔天空2”和演示樣機的核心合作伙伴，位于瑞典的GKN公司負責(zé)設(shè)計和制造中間壓氣機機匣。盡管大多數(shù)中間壓氣機機匣是使用傳統(tǒng)的鑄造技術(shù)制造的，但其中的一些附接零件卻是通過金屬3D打印制造的。生產(chǎn)過程還包括基于計算機模擬的新型焊接方法，優(yōu)化的排氣系統(tǒng)空氣動力學(xué)和聲學(xué)特性以及較短的主動風(fēng)道設(shè)計。
● 2020年8月，霍尼韋爾航空航天公司（Honeywell Aerospace）首個3D打印的飛機發(fā)動機部件獲得了FAA的認證。據(jù)悉，這個獲得認證的部件（#4/5軸承座）是達索“獵鷹”20G海上巡邏機上ATF3-6渦輪風(fēng)扇發(fā)動機的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件。該零件已在生產(chǎn)中，并已安裝在一架運行中的 “獵鷹”飛機上，預(yù)計年底前還將打印出幾十個零件。
通過使用快速成型制造技術(shù)，霍尼韋爾能夠在完全不使用工具的情況下生產(chǎn)該部件。即使在低產(chǎn)量的情況下，該公司也能將制造成本和交貨時間都控制在最低限度。同時，利用在增材制造方面的專業(yè)知識，霍尼韋爾將交貨時間從大約兩年縮短到兩周。
民用航空增材產(chǎn)品適航認證面臨的挑戰(zhàn)
增材制造零件通過適航認證是實現(xiàn)民用航空領(lǐng)域工程化應(yīng)用的前提。FAA認為航空增材產(chǎn)品認證面臨5個方面的挑戰(zhàn)：1.對關(guān)鍵工藝參數(shù)及其可接受變化范圍認知不足；2.對成形缺陷和關(guān)鍵失效機理認知不足；3.缺乏設(shè)計許用值等工業(yè)數(shù)據(jù)庫支撐；4.缺乏可靠的無損檢測（NDI）方法；5.缺乏完備的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。
而在雷力明看來，基于民用航空領(lǐng)域?qū)π虏牧稀⑿鹿に嚰夹g(shù)的安全符合性及經(jīng)濟性要求，增材制造技術(shù)還存在以下挑戰(zhàn)。
尚未形成面向增材制造的設(shè)計方法。與傳統(tǒng)制造相比，盡管金屬增材制造技術(shù)給復(fù)雜金屬零件的制造帶來了革命性的影響，但由于增材制造技術(shù)工藝特點與傳統(tǒng)工藝具有本質(zhì)不同，設(shè)計人員對增材制造工藝技術(shù)特點認識的局限性限制了零部件在結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸、功能、重量等多維度的優(yōu)化設(shè)計，使得增材制造的技術(shù)優(yōu)勢難以充分發(fā)揮。目前在航空發(fā)動機應(yīng)用領(lǐng)域，缺少從應(yīng)用需求出發(fā)、擺脫傳統(tǒng)設(shè)計進行的面向增材制造的原創(chuàng)設(shè)計，尚未形成面向增材制造的設(shè)計方法。
為突破這一局限，增材制造設(shè)計及制造應(yīng)當(dāng)加強協(xié)同，在已開展增材制造零件試制的基礎(chǔ)上，打破傳統(tǒng)制造技術(shù)造成的概念壁壘，嘗試進行全新設(shè)計。以民用航空中典型零件為載體，逐步基于增材制造工藝特點優(yōu)化設(shè)計方法，兼顧尺寸精度限制、結(jié)構(gòu)形式對工藝難度的影響、力學(xué)性能各向異性特點等，利用三維模型設(shè)計及仿真技術(shù)，最終設(shè)計出高可靠性、輕量化、結(jié)構(gòu)功能一體化的零件。
增材制造過程質(zhì)量監(jiān)控不完善。增材制造成形過程中，熱源、移動熔池與粉末基體的交互作用存在復(fù)雜的物理、化學(xué)和熱力耦合現(xiàn)象。除復(fù)雜的熱過程外，激光功率及定位精度、成形氣氛、飛濺物及煙塵排除等也對零件質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。由此導(dǎo)致了增材制造成形質(zhì)量過程監(jiān)控難度很大，如何實現(xiàn)有效監(jiān)控是當(dāng)前面臨的關(guān)鍵難點之一。
主流增材制造設(shè)備已初步實現(xiàn)熔池監(jiān)控、鋪粉質(zhì)量監(jiān)控，即可獲取熔池形成及凝固過程、鋪粉質(zhì)量的具體信息，綜合判斷成形過程是否存在異常，可以輔助推斷零件具體位置的缺陷情況。當(dāng)前業(yè)內(nèi)采用的監(jiān)控手段的效果有限，尚未達到充分有效的程度。開發(fā)集光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)等方法于一體的過程監(jiān)控體系，將是未來發(fā)展的重要方向之一。
增材制造零件批次穩(wěn)定性控制能力不足。增材制造技術(shù)具有強工藝相關(guān)性的特點，在零件批量生產(chǎn)的批次穩(wěn)定性控制方面仍然存在許多問題。影響增材制造零件批次穩(wěn)定性的因素復(fù)雜，主要包括原材料、設(shè)備系統(tǒng)、成形工藝、后處理工藝等方面。原材料在化學(xué)成分、粒度分布、流動性等方面的變化會對增材制造零件批次間的組織和性能帶來差異，在原材料的性能控制、循環(huán)使用等方面尚未形成行業(yè)內(nèi)嚴(yán)謹(jǐn)統(tǒng)一的規(guī)則，增大了工藝技術(shù)風(fēng)險。設(shè)備系統(tǒng)的熱源（如激光束、電子束）定位精度、氣氛控制、機械系統(tǒng)控制對制件的表面粗糙度、尺寸精度及制件成分的穩(wěn)定性有影響。成形工藝和后處理工藝對制件的批次穩(wěn)定性有著決定性的影響，成形工藝參數(shù)控制、燒結(jié)策略、平均能量密度、粉末層層厚等因素直接影響成形制件各批次的質(zhì)量，后處理工藝則通過去支撐方法、熱處理溫度、冷速或壓力控制以及表面光整技術(shù)影響零件批次生產(chǎn)的穩(wěn)定性。應(yīng)當(dāng)從人員、設(shè)備、材料、工藝和環(huán)境多方面控制增材制造零件批次穩(wěn)定性，推動增材制造技術(shù)朝著智能化、自動化與集成化的方向發(fā)展。
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