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)滿負(fù)荷核心機(jī)試驗(yàn)的考核,。葉片安裝在西門子公司的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)專業(yè)研究方向已覆蓋研發(fā)設(shè)計(jì),、成型工藝,、軟件開發(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���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��,，成型平臺(tái)下降一個(gè)層厚,，鋪上新一層粉末，開始下一輪激光掃描,。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,�,？紤]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)月以內(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),，因零件壁厚較小（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,。為滿足更高的耐溫要求，打印材料采用GH5188（耐溫1000℃),。

研究中開展了混合器的結(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)銷釘組合在一起。

基于FDM技術(shù)開展了某型燃?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。