【解析】3D打印技術(shù)在航空發(fā)動機中的應用

增材制造技術(shù)最重要的應用首推航空航天領(lǐng)域。美國“增材制造路線圖”把航空航天需求作為增材制造的第一位工業(yè)應用目標，波音、GE、霍尼韋爾、洛克希德•馬丁等美國著名航空航天企業(yè)都是美國增材制造創(chuàng)新研究所（NAMII）的成員單位,。澳大利亞政府于2012年2月宣布支持一項航空航天領(lǐng)域革命性的項目“微型發(fā)動機增材制造技術(shù)”。2012年9月,，英國技術(shù)戰(zhàn)略委員會特別專家組在一份題為“Shaping our National Competency in Additive  Manufacturing”的專題報告中,，也把航空航天作為增材制 造技術(shù)的首要應用領(lǐng)域。

1 增材制造技術(shù)的優(yōu)勢
以3D打印制造技術(shù)為例,，作為信息化和制造技術(shù)的高度融合,，3D打印能夠?qū)崿F(xiàn)高性能復雜結(jié)構(gòu)金屬零件的無模具、快速,、全致密,、近凈成形，特別是對于激光立體成形和修復的零件,，其力學性能同鍛件性能相當,，成為了應對航空發(fā)動機與燃氣輪機領(lǐng)域技術(shù)挑戰(zhàn)的最佳新技術(shù)途徑。相對傳統(tǒng)制造技術(shù),，3D打印技術(shù)具有以下十大潛在優(yōu)勢,。

（1） 降低制造成本。對于傳統(tǒng)制造,，產(chǎn)品形狀越復雜,，制造成本越高。3D打印不會因為產(chǎn)品形狀的復雜程度提高而消耗更多的時間或成本,，針對航空發(fā)動機為追求性能而呈現(xiàn)的大量形狀復雜的零件制造，3D打印無疑具有優(yōu)勢,。
（2） 適于產(chǎn)品多樣化,。航空發(fā)動機本身就是“試出來的”產(chǎn)品，研制過程需要多次反復修改設計,，傳統(tǒng)上每一輪改進都需要對模具進行修改并增加制造成本,，3D打印不需要針對產(chǎn)品的形狀改變而修改模具。
（3） 最小化裝配和減重,。通過拓撲優(yōu)化設計,，3D打印可以打印組合零件,，減少產(chǎn)品裝配并降低產(chǎn)品重量。
（4） 即時交付,。3D打印可以按需打印,，從而大大壓縮航空發(fā)動機部分長周期零件的試制周期。

（5） 拓展設計空間,。受傳統(tǒng)制造方式限制,，產(chǎn)品只能根據(jù)工藝的可實現(xiàn)性來設計，如航空發(fā)動機渦輪葉片上氣�,？椎男螤钪荒苁菆A形,。3D打印可以使渦輪葉片的氣模孔根據(jù)冷卻效果要求設計成橢圓形或其他任意形狀,。
（6） 降低技能要求,。傳統(tǒng)上，航空發(fā)動機很多零件制造對操作人員技能有很高要求,，甚至出現(xiàn)過個別零件只能由1人或少數(shù)幾人制造的情形,。3D打印從設計文件中獲取各種指令，制造同樣復雜的產(chǎn)品,，3D打印機所需的操作技能遠低于傳統(tǒng)鑄造,。
（7） 便攜制造。傳統(tǒng)的鑄造,、鍛造一般僅能制造比設備小的產(chǎn)品,。3D打印機調(diào)試好后，打印設備可以自由移動,，制造出比自身設備還要大的產(chǎn)品,。
（8） 降低浪費。與傳統(tǒng)加工減材制造相反,，3D打印制造屬于增材制造,，航空發(fā)動機與燃氣輪機所使用的大量傳統(tǒng)金屬加工，大量原材料都在加工過程中被廢棄,，而3D打印的“凈成形”大幅減少金屬制造浪費量,。
（9） 材料組合。對于傳統(tǒng)航空發(fā)動機與燃氣輪機制造方式來講,，將不同材料組合（鑄造,、鍛造等）成單一產(chǎn)品非常困難，3D打印有能力將不同原材料融合在一起,。
（10） 精確實體復制,。類似于數(shù)字文件復制，3D打印未來將使得數(shù)字復制擴展到實體領(lǐng)域，實現(xiàn)異地零件復制,。

2 應用現(xiàn)狀
2.1 直接制造領(lǐng)域
金屬零件的直接增材制造的技術(shù)構(gòu)思,，由美國聯(lián)合技術(shù)研究中心（UTRC）在1979年首先提出，其應用對象就是制造航空發(fā)動機渦輪盤[2],。1994年,，國際三大航空發(fā)動機公司之一的英國羅爾斯•羅伊斯公司（Rolls-Royce）與英國Crankfield大學一起探索航空發(fā)動機機匣的激光立體成形（LSF）制造技術(shù)。2000年,，美國波音公司首先宣布采用LSF技術(shù)制造的三個鈦合金零件在F-22和F/A-l8E/F飛機上獲得應用,，并在2001年制定了LSF技術(shù)的美國國家標準（該標準在2011年進行了修訂），由此在全球掀起了金屬零件直接增材制造的第一次熱潮,。

2005年,，西北工業(yè)大學將LSF技術(shù)與鑄造技術(shù)相結(jié)合，建立激光組合制造技術(shù),，解決了航空發(fā)動機In961+GH4169合金復合軸承后機匣[4]的制造難題,，保證了新型發(fā)動機研制按時裝機試車。 近年來,，隨著金屬直接增材制造技術(shù)成熟度的逐漸提高,，特別是金屬直接增材制造裝備的商用化，采用金屬直接增材制造技術(shù)進行航空發(fā)動機零部件的成形制造又逐漸受到了國內(nèi)外航空發(fā)動機公司和研究機構(gòu)的重視,。圖1顯示了德國EOS公司所展示的其所生產(chǎn)的選擇性激光熔化（SLM） 裝備在航空發(fā)動機零部件制造的應用潛力,。

意大利Avio公司采用瑞典Arcam公司所生產(chǎn)的電子束熔化裝備（EBM）生產(chǎn)了TiAl低壓渦輪葉片。德國MTU航空發(fā)動機公司,，除了將LSF技術(shù)應用于航空發(fā)動機零部件的修復之外,，近期也開始測試采用SLM技術(shù)直接制造的航空發(fā)動機小型壓氣機靜子件。羅爾斯•羅伊斯航空發(fā)動機公司同樣也在考慮將金屬直接增材制造技術(shù)應用于其先進航空發(fā)動機的輕量化構(gòu)件的直接制造,。普惠公司（Pratt&Whitney）則依托MTU航空發(fā)動機公司,，也在開展SLM技術(shù)直接制造PurePower PW1100G-JM 航空發(fā)動機零部件的測試工作，如圖2所示,。

目前,，美國GE公司已擁有各類金屬直接增材制造裝備300多臺套，在航空發(fā)動機金屬零件的直接增材制造方面已走在國際前列,。近期,，美國GE公司基于其航空發(fā)動機高端零件直接制造的需求，通過收購美國Morris公司和意大利Avio公司,，重點開展了航空發(fā)動機零件的SLM和EBM制造研究和相關(guān)測試,。美國Morris公司采用SLM技術(shù)生產(chǎn)了大量的航空發(fā)動機零件，如圖3所示,，已經(jīng)擁有超過20臺最先進的SLM設備。2013年底，GE公司宣布,，將采用SLM技術(shù)為其下一代的GE Leap發(fā)動機生產(chǎn)噴油嘴,，每年的產(chǎn)量將達到40000個。GE公司發(fā)現(xiàn),，采用SLM技術(shù)生產(chǎn)噴嘴,，生產(chǎn)周期可縮短2/3，生產(chǎn)成本降低50%,，同時可靠性得到了大大的提高,。

2.2 增材修復領(lǐng)域
航空發(fā)動機工作的苛刻環(huán)境決定了其對零件制造的要求極高，在很長一段時間里,，金屬直接增材制造重點還是著重于航空發(fā)動機零部件的修復,。致力于使LSF技術(shù)商用化的美國Optomec Design公司，已將LSF技術(shù)應用于T700美國海軍飛機發(fā)動機零件的磨損修復,，如圖4所示,，實現(xiàn)了已失效零件的快速、低成本再生制造,。德國MTU公司與漢諾威激光研究中心則將LSF技術(shù)用于渦輪葉片冠部組里面的硬面 覆層或恢復幾何尺寸,。
德國Fraunhofer研究所則重點研究了LSF技術(shù)在鈦合金和高溫合金航空發(fā)動機損傷構(gòu)件修復再制造的應用。英國Rolls-Royce航空發(fā)動機公司則將LSF技術(shù)用于渦輪發(fā)動機構(gòu)件的修復,。瑞士洛桑理工學院W. Kurz教授的研究組采用LSF技術(shù)實現(xiàn)了高溫合金單晶葉片的修復,。 在國內(nèi)，西北工業(yè)大學基于LSF技術(shù)開展了系統(tǒng)的激光成形修復的研究與應用工作,，已經(jīng)針對發(fā)動機部件的激光成形修復工藝及組織性能控制一體化技術(shù)進行了較為系統(tǒng)的研究,，并在小、中,、大型航空發(fā)動機機匣,、葉片、葉盤,、油管等重要關(guān)鍵零件的修復中獲得廣泛應用,，如圖5所示。   

3 應用前景
GE公司通過GRABCAD協(xié)會舉辦了一次基于金屬直接增材制造技術(shù)鈦合金發(fā)動機支架的再設計大賽,，共有56個國家的設計愛好者提交了697個參賽作品,，其中冠軍設計將支架的重量從原設計的2.033kg減輕至327g，減重達84%,。由于采用基于粉末床的SLM技術(shù)難以避免在零件生產(chǎn)中產(chǎn)生微小孔洞,，造成疲勞性能降低，對于GE公司來說,，采用SLM技術(shù)生產(chǎn)的零件主要用于生產(chǎn)異形管路和鑄件,。為此，GE公司同時也在探索采用基于同步材料送進技術(shù)的LSF技術(shù)生產(chǎn)高性能致密航空發(fā)動機零件。

圖6顯示了GE公司依托西北工業(yè)大學LSF技術(shù)所制造的GE 90發(fā)動機復合材料寬弦風扇葉片鈦合金進氣邊和高溫合金機匣,。其中,，鈦合金進氣邊長1000mm，壁厚0.8~1.2mm,，最終加工變形僅 0.12mm,，通過了GE公司的測試。 圖7所示為GE公司預計可在航空發(fā)動機各部位應用金屬直接增材制造零部件的示意圖,。GE公司預計采用金屬直接增材制造的零件,，未來可占航空發(fā)動機零部件的50%，使其研發(fā)的大型航空發(fā)動機每臺至少減重454kg,。

金屬直接增材制造技術(shù)已經(jīng)在航空發(fā)動機零部件的制造上顯示了重要的應用潛力和廣闊的應用前景,。不過，基于技術(shù)原理 和制造成本,，任何一項加工技術(shù)都有與其相適應的零件結(jié)構(gòu)特點,，對于航空發(fā)動機零部件的制造同樣如此�,；�于金屬直接增材制造技術(shù)的成形精度,、效率和成本特點，這項技術(shù)非常適用于制造發(fā)動機中具有輕量化要求的復雜構(gòu)件,，特別是帶有內(nèi)部油路,、管路的構(gòu)件，具有復雜凸緣或凸臺的構(gòu)件,，具有復雜翼型的構(gòu)件,，具有封閉或開孔蜂窩結(jié)構(gòu)的構(gòu)件和集成異形通路的構(gòu)件。

編輯：南極熊
作者：王強（中航商用航空發(fā)動機有限責任公司）,孫躍（上海市經(jīng)濟和信息化委員會）

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