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

來(lái)源：《工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)》

為滿足航空發(fā)動(dòng)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(dòng)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(guò)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(jí)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(dòng)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(dòng)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(shì)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(guó)通用電氣公司（General Electric Company,，簡(jiǎn)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(guó)SpaceX公司通過(guò)對(duì)火箭發(fā)動(dòng)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(guó)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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)是一類由深度3D打印制造的發(fā)動(dòng)機(jī),，其超過(guò)三分之一的零部件采用增材制造,，發(fā)動(dòng)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(dòng)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(wèn)題,，部分構(gòu)件已突破增材制造“控形”問(wèn)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(wèn)題[11-13],。關(guān)注公眾號(hào): 兩機(jī)動(dòng)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(guó)國(guó)家航空航天局）采用concurrent（同時(shí)迭代）來(lái)描述基于增材制造技術(shù)的產(chǎn)品的快速迭代過(guò)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(dòng)機(jī)軸與輪轂不合格的問(wèn)題,。但航空發(fā)動(dòng)機(jī)中諸如控制系統(tǒng)等系統(tǒng)級(jí)構(gòu)架，由于其控制對(duì)象的復(fù)雜性和控制參數(shù)的多樣性,，在研發(fā)過(guò)程中仍面臨著設(shè)計(jì)約束多,、加工難度大、迭代周期長(zhǎng)等問(wèn)題,。



綜上,，筆者基于數(shù)字化模型驅(qū)動(dòng)和SLM增材制造技術(shù)相融合的方法，對(duì)航空發(fā)動(dòng)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(dòng)的正向快速研發(fā)迭代與模型傳遞過(guò)程
針對(duì)航空發(fā)動(dòng)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(dòng)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(jí)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(jí)模型到真實(shí)物理級(jí)實(shí)體是完全基于增材制造使能（3D使能）的模型驅(qū)動(dòng)式數(shù)字線程來(lái)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(cè)試驗(yàn)證數(shù)據(jù)等信息,。

圖1 基于數(shù)字化模型驅(qū)動(dòng)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(guò)程如圖2所示,，主要分為3個(gè)過(guò)程：結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)過(guò)程、工藝模型設(shè)計(jì)過(guò)程和模型打印實(shí)現(xiàn)過(guò)程,。

圖2 由虛擬模型到物理模型的數(shù)字化傳遞過(guò)程

在結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)過(guò)程中,，首先根據(jù)航空發(fā)動(dòng)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(dòng)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(chǎng)聯(lián)合仿真技術(shù),，綜合考慮實(shí)際運(yùn)行場(chǎng)景下熱場(chǎng),、應(yīng)力場(chǎng)、流場(chǎng),、電磁場(chǎng)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(duì)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(guò)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(yǔ)言三者間的迭代優(yōu)化,。將從上一過(guò)程傳遞來(lái)的模型（工藝設(shè)計(jì)結(jié)果）導(dǎo)入虛擬打印平臺(tái)，進(jìn)行初步成形方向和支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),。對(duì)于發(fā)動(dòng)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(lái)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(yǔ)言控制設(shè)備進(jìn)行打印成形,。

模型打印實(shí)現(xiàn)過(guò)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(cè)的所有過(guò)程,。由于虛擬仿真成形不能百分之百預(yù)測(cè)實(shí)際打印過(guò)程中的所有問(wèn)題，且金屬粉末床熔融過(guò)程非常復(fù)雜,，因此虛擬仿真成形質(zhì)量的過(guò)程控制顯得尤為重要,。在該過(guò)程控制中，氧含量對(duì)構(gòu)件的冶金質(zhì)量有重要影響,，因此需將成形過(guò)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(duì)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(duì)成形過(guò)程溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，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(cè)，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(wú)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(dòng)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(cuò)綜復(fù)雜的油路給殼體的高效加工制造帶來(lái)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(dòng)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(guò)一系列的增材制造工藝過(guò)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(dòng)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(chǎng)聯(lián)合仿真優(yōu)化
針對(duì)基于DFAM的復(fù)雜構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型,，需要通過(guò)多物理場(chǎng)聯(lián)合仿真的快速迭代優(yōu)化和驗(yàn)證來(lái)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(dòng)/模態(tài)仿真和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真屬于應(yīng)力場(chǎng)的動(dòng)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(dòng)靜態(tài)特性,；流場(chǎng)仿真主要是依據(jù)銳邊節(jié)流孔假設(shè)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）理論來(lái)對(duì)復(fù)雜構(gòu)件內(nèi)部復(fù)雜油路的壓力損失和波動(dòng)特性進(jìn)行仿真優(yōu)化,；熱場(chǎng)仿真則是對(duì)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(dòng)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(dòng)機(jī)復(fù)雜構(gòu)件多物理場(chǎng)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(guò)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(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)機(jī)復(fù)雜構(gòu)件多物理場(chǎng)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(guò)程中，首先將工藝余量模型導(dǎo)入支撐設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)進(jìn)行復(fù)雜構(gòu)件成形角度優(yōu)化評(píng)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(kù)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(duì)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(duì)象為宏觀尺度構(gòu)件時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注對(duì)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(jí)熱-固耦合與構(gòu)件級(jí)應(yīng)力-變形的跨尺度仿真過(guò)程,。

SLM增材制造過(guò)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(duì)成形微觀過(guò)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(dòng)力學(xué)等諸多復(fù)雜物理現(xiàn)象，通過(guò)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(duì)象為實(shí)際構(gòu)件時(shí)，構(gòu)件形狀復(fù)雜程度對(duì)其溫度場(chǎng)分布,、熱應(yīng)力和熱變形的影響尤為顯著,，通過(guò)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(guò)程,，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)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(píng)估與優(yōu)化,，并預(yù)測(cè)打印過(guò)程可能存在的風(fēng)險(xiǎn)與隱患,，為實(shí)際打印過(guò)程提供仿真數(shù)據(jù)支持。

圖7 航空發(fā)動(dòng)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(wèn)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(duì)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(dòng)、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(dòng)性等因素的影響,，有些粉末在成形過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生球化、孔隙,、裂紋等缺陷,。鑒于航空發(fā)動(dòng)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(duì)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(guó)內(nèi)增材制造技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)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(dòng)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(guó)內(nèi)還沒(méi)有成熟的評(píng)價(jià)方法或標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判定金屬粉末材料對(duì)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(guò)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(guò)嚴(yán)格的質(zhì)量檢測(cè),，如元素含量檢測(cè),、清潔度檢測(cè)、夾雜物檢測(cè),、流動(dòng)性檢測(cè),、粒徑分布檢測(cè)及球形度檢測(cè)等，并根據(jù)頂層約束判定檢測(cè)結(jié)果是否滿足要求,，只有滿足檢測(cè)要求的粉末才能用于增材制造,。檢測(cè)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(cāng)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(duì)循環(huán)粉末進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，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(guò)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(guò)程中，打印過(guò)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(guò)程如圖9所示,。

圖9 復(fù)雜構(gòu)件快速成形制造過(guò)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(cè),、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(guò)程的可重復(fù)性,；在過(guò)程監(jiān)控階段，通過(guò)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(duì)成形過(guò)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(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題,，并對(duì)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(duì)剩余粉末進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)后傳遞至原材料端,，完成發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜構(gòu)件快速成形制造的閉環(huán)控制過(guò)程,。

3.3 后處理技術(shù)
增材制造成形的構(gòu)件需經(jīng)過(guò)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(dòng)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(hào): 兩機(jī)動(dòng)力先行,，聚焦兩機(jī)關(guān)鍵技術(shù),！

SLM增材制造成形過(guò)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(duì)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（通常可提高到Ra6.3 μm）,；化學(xué)光整主要通過(guò)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(duì)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(guò)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(guò)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(duì)航空發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)復(fù)雜構(gòu)件的后處理

3.4 質(zhì)量檢測(cè)評(píng)估與驗(yàn)證
產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)評(píng)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(cè)、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(guò)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行逐級(jí)評(píng)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(cè)評(píng)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(cè),，從控形/控性的角度分別對(duì)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(cè)；在零部件質(zhì)量檢測(cè)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(chǎng)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(jí)產(chǎn)品綜合驗(yàn)證和整機(jī)級(jí)臺(tái)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(duì)于任何一個(gè)產(chǎn)品來(lái)說(shuō),，在產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)評(píng)估與驗(yàn)證過(guò)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(cè)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(duì)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(tái)進(jìn)行管理形成產(chǎn)品質(zhì)量信息數(shù)據(jù)庫(kù),，并跟隨產(chǎn)品服役的全生命周期過(guò)程，這不僅可以為系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品滿足適航要求提供保障,，而且可對(duì)服役過(guò)程中發(fā)生的任何產(chǎn)品局部損傷,、失效等問(wèn)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(kù)中產(chǎn)品檢測(cè)與評(píng)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(dòng)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(dòng)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(guò)一維架構(gòu)設(shè)計(jì)、三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),、多物理場(chǎng)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(cè)評(píng)估和裝置級(jí)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(guò)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(jí)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(guò)了部件試驗(yàn),、數(shù)控系統(tǒng)半物理模擬試驗(yàn)、發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)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(dòng)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(guò)程

5 結(jié)論

提出了基于數(shù)字化模型驅(qū)動(dòng)和SLM增材制造技術(shù)的航空發(fā)動(dòng)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(guò)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(dòng)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(duì)航空發(fā)動(dòng)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(dòng)的正向研發(fā)模式,，減少了試錯(cuò)環(huán)節(jié),，提高了研發(fā)效率，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)研發(fā)模式轉(zhuǎn)型升級(jí)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(jiǎn)單制造”方向發(fā)展,。

3）研究促進(jìn)了航空發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)正向自主研發(fā)提供了全新的完整的解決方案,。