南科大頂刊丨噴氣發(fā)動機(jī)部件的增材設(shè)計(jì)與制造

來源：增材制造碩博聯(lián)盟

噴氣發(fā)動機(jī)部件的增材設(shè)計(jì)（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(shè)計(jì)的獨(dú)特性開創(chuàng)了噴氣發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)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?yàn)樗�始于點(diǎn)，繼而到線和層面,，直至整個部件完成,。設(shè)計(jì)和制造之間的協(xié)調(diào)是空氣動力學(xué)、熱力學(xué),、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(shè)計(jì)零件的方式,，因?yàn)樗麄円獜膫鹘y(tǒng)的“減材”方法轉(zhuǎn)移到“增材”的新方法來制造零件。增材設(shè)計(jì)與增材制造設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)和制方式,。本文詳細(xì)討論了增材設(shè)計(jì)與增材制造中的需求，以及如何解決當(dāng)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(jī)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(fù)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(shè)計(jì)自由度及可靠性，是制造噴氣發(fā)動機(jī)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(fù)雜的特點(diǎn)，大約超過75%的噴氣發(fā)動機(jī)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(shè)計(jì)的局限性能,，使得從空氣動力學(xué)和結(jié)構(gòu)完整性的角度優(yōu)化設(shè)計(jì)噴氣發(fā)動機(jī)翼型成為可能。

圖1. 增材制造在噴氣發(fā)動機(jī)的應(yīng)用,。(a)渦輪風(fēng)扇噴氣發(fā)動機(jī),；(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(fù)雜的構(gòu)件，尤其是復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu),。增材制造的另一個優(yōu)點(diǎn)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(dú)特優(yōu)勢,，能制備成分不一樣的梯度材料，在此不做詳細(xì)討論,。

除了節(jié)省材料和減輕重量外,，噴氣發(fā)動機(jī)在航空客運(yùn)領(lǐng)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(dú)工藝制造多種材料的部件變得切實(shí)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(xué)性能的不同材料制造該部件，這些不同的性能包括強(qiáng)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(shè)計(jì)，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(jī)研究人員還沒有準(zhǔn)備好利用增材制造來生產(chǎn)復(fù)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(biāo)準(zhǔn),。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(fù)合結(jié)構(gòu)更加復(fù)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(xué)和材料強(qiáng)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(shí)驗(yàn)曲線都是基于“純”材料本身，而非基于所評估構(gòu)件的實(shí)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(xué)性能對復(fù)雜結(jié)構(gòu)做出判斷是不合理的,，因?yàn)樗麄內(nèi)狈�具有�?qiáng)大分析能力的計(jì)算機(jī)、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(xué)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(biāo)準(zhǔn)程序，這種做法的結(jié)果不甚理想,，易導(dǎo)致高估或低估構(gòu)件強(qiáng)度或壽命,。這是因?yàn)闃?gòu)件的應(yīng)力/應(yīng)變通常是三維（3D）矢量，而材料的力學(xué)性能是從該材料的標(biāo)準(zhǔn)樣品獲得,，并且在簡單的應(yīng)力/應(yīng)變狀態(tài)下進(jìn)行測試,，以便可以提出與材料特性相比較的“標(biāo)準(zhǔn)化”數(shù)字。除增材設(shè)計(jì)（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(lǐng)域。

對于噴氣式發(fā)動機(jī),，中空或內(nèi)部網(wǎng)格結(jié)構(gòu)以及梯度材料與強(qiáng)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(shè)計(jì)（DFM）不同,，功能設(shè)計(jì)意味著優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(jī)進(jìn)行優(yōu)化。噴氣發(fā)動機(jī)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個在材料工藝,、傳熱,、空氣動力學(xué)、結(jié)構(gòu)完整性,、控制,、機(jī)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(shè)計(jì)的概念提供了可能,，通過改變工程師的設(shè)計(jì)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(fù)雜性,、層次復(fù)雜性、裝配復(fù)雜性和材料復(fù)雜性,。

增材設(shè)計(jì)注重層次的次表面多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),，以便“主動”設(shè)計(jì)一個從不同學(xué)科角度看具有解耦關(guān)系的部件。以噴氣發(fā)動機(jī)為例,，空氣動力學(xué)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(yù)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(shè)計(jì)次表面結(jié)構(gòu)。

由于噴氣發(fā)動機(jī)部件具有明確的空氣動力學(xué)形狀,，對其進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化幾乎是不可能的,，其關(guān)鍵的設(shè)計(jì)要求是在多個尺度上進(jìn)行分層設(shè)計(jì)。到目前為止,，噴氣發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)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(xué)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(jìn)其設(shè)計(jì),。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(shè)計(jì)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?fù)渌季S和實(shí)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(yīng)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(shè)計(jì)中的挑戰(zhàn)之一是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)算成本的承受能力，這決定了多孔結(jié)構(gòu)模型的細(xì)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(xué)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(xùn)練有素的工程師。

在增材設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(jī)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(yīng)用的法規(guī)代碼的新標(biāo)準(zhǔn),。

由于擺脫了傳統(tǒng)制造過程的限制,，設(shè)計(jì)領(lǐng)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(shè)計(jì),，這些設(shè)計(jì)甚至能夠?qū)е仑?fù)熱膨脹,、負(fù)剛度、負(fù)泊松比等,。此外，工程師可以主動地按需設(shè)計(jì)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(fēng)扇噴氣發(fā)動機(jī),，我們預(yù)計(jì)可以使用增材制造技術(shù)對發(fā)動機(jī)進(jìn)行大幅改進(jìn)，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(jī)進(jìn)行增值改進(jìn),。圖中綠色區(qū)域表示有很大潛力可以通過AD / AM進(jìn)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(shè)計(jì)工程師的目標(biāo),。與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法不同，它無需在空氣動力學(xué)工程師,、結(jié)構(gòu)工程師和制造工程師之間來回重復(fù)地進(jìn)行交互設(shè)計(jì),。相反，團(tuán)隊(duì)中的每個成員現(xiàn)在都可以不必?fù)?dān)心受到其他學(xué)科的約束,，而設(shè)計(jì)一個“最好”的部分,，因?yàn)樗麄兛梢愿淖儾牧虾痛伪砻娴奈⒂^結(jié)構(gòu)。

圖3. 當(dāng)前的扇葉設(shè)計(jì)方法和未來的扇葉設(shè)計(jì),。DB / SPF：擴(kuò)散黏合/片材超塑成形,。

通過增材設(shè)計(jì)和增材制造,，可實(shí)現(xiàn)具有較優(yōu)空氣動力學(xué)性能、傳熱性能,、應(yīng)力分布及力學(xué)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(shè)計(jì)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(jī)制,；（b）渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的發(fā)展,。

增材設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)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(yīng)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(yuǎn)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(fù)雜結(jié)構(gòu)制備的優(yōu)勢,，通過設(shè)計(jì)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(qiáng)傳熱,、減少應(yīng)力。

圖5. 以渦輪葉片設(shè)計(jì)為例,，3D打印將徹底改變渦輪葉片設(shè)計(jì),，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(fù)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(fù)雜亞表面結(jié)構(gòu)或梯度材料,，需要應(yīng)用次表面微結(jié)構(gòu)和（或）梯度材料的噴氣發(fā)動機(jī)部件,。在荷載和結(jié)構(gòu)或材料之間建立一個相應(yīng)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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，也沒有相關(guān)的適航條例,。除了上述的設(shè)計(jì)和制造問題,，以及對新的分析標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)和制造領(lǐng)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(xué)科面臨材料,、力學(xué)、數(shù)學(xué)和物理領(lǐng)域的挑戰(zhàn),。AD / AM為改變世界提供了可能,。