金屬增材制造技術在航空發動機領域的應用

李金峰

摘 要：金屬增材技術包含同步送絲高能束熔覆技術、粉末床成形技術兩種，通過該技術能夠快速將復雜的金屬構件成形，同時還能夠保障構件的質量。因此，金屬增材制造技術在航空領域應用較廣，提高發動機的實際性能。本文基于金屬增材制造技術的特征，分析金屬增材制造技術在航空發動機領域的應用。

關鍵詞：金屬增材制造技術 航空 發動機

前言

航空業對于經濟以及國防具有重要的作用，更是國家實力的標志之一。隨著科技的發展，航空需要滿足長航時、長航程、高空以及高速的要求，因此需要將金屬增材制造技術應用到發動機的設計、制造之中，改善發動機性能，促進我國航空業的快速、穩定發展。

1、金屬增材制造技術的特征

金屬增材技術，包括激光立體成形技術（LSF）為主的同步送絲高能束熔覆技術，和以選區激光融化技術（SLM）為主的粉末床成形技術兩種。LSF技術能夠高效率的制造鍛件、力學性能相對復雜的高性能構件，同時其具體的尺寸會跟隨設備的運動幅面進行變化。LSF技術具有同步送進材料的特征，還能對構件進行任意梯度、任意材料復合的制造，便于設計新型、高性能的合金以及構件的修復工作。SLM技術子應用的過程中，更加重視力學性能的優化，但是其具體的成形的實際尺寸較小，因此只能用于單種材料的成形。

目前，已經成熟的設備通常小于300毫米，SLM技術的效率要遠低于LSF技術，但是對于構建的復雜程度沒有限制。值得注意的是，LSF技術更加適用于傳統的金屬加工技術，例如：鑄造、鍛造中的減材或者等材技術相互結合，發揮各自技術的長處，從而形成高效率、高性能、低成本的新技術。金屬增材制造技術，通常采用鍛造合金或者傳統的合金，其熱處理制度也與之相對應，但實質上，金屬增材技術與鍛造、鑄造技術存在本質的區別，因此影響了金屬構件的實際性能。

2、金屬增材制造技術在航空發動機領域的應用

提高航空發動機的實際性能，需要增加結構、零件的復雜程度，因此傳統的制造方式很難滿足此項要求。隨著金屬增材制造技術的發展與成熟，已經廣泛的應用到航空發動機的零件制造中，然而我國在金屬增材制造行業處于起步階段，依然具有較大的進步空間。利用金屬增材制造技術，GE公司研發了發動機中高溫部件。2004年，GE公司與斯奈克瑪公司之間展開合作，并研發出燃油噴射部件，制造出首臺燃油噴嘴，將多種部件進行加工、鑄造，然后組裝結合成為最終的設備，其成本較高。采用金屬增材制造技術，GE公司將多種部件焊接為一體，再用合理的熱處理方式，提高材料的實際性能，避免在成產的過程中發生裂紋、變形的現象，延長燃油系統的使用壽命，降低研制成本。預計2020年時，通過50臺至100臺機械，能夠達到每年生產四萬個燃油噴嘴，保障每個月能夠滿足175臺航空發動機的需求。

就我國而言，背景航空航天大學、西北工業大學是研究以及應用金屬增材技術制造技術的代表。北京航空航天大學重點研究LSF技術，其研制的鈦合金構建大量用于我國軍用飛機中，促進了我國軍用飛機的發展，提高我國航空實力。1995年，西北工業大學開始提出了激光增材制造技術的思想，并開展了20余年的研究工作，從而形成了工藝、材料、制造、應用較為全面的技術體系，其制造的部件，廣泛的應用于國內的航空發動機中。除LSF技術之外，SLM技術也是西北工業大學的研究對象，重點研究精密的航空發動機，并取得一定的研究成果。

3、金屬增材制造技術在航空發動機領域的需求以及展望

3.1 應用需求

首先，復雜性與尺寸的需求。目前，對于大型以及超大型部件的制造較為困難，且需要較高的成本，成產周期較長。因此基于金屬增材制造技術，能夠有效的降低成產成本，提高產品的質量，但是需要加強對于大型、超大型部件的設計與成形，促進該項技術的全面發展。其次，精密修復需求。發動機部件的性能，會隨著時間的延長而降低，并且修復的難度較大。因此，采用金屬增材制造技術，需要不斷提高部件的使用壽命，降低檢修難度，促進航空也的發展。最后，一體化需求。設計制造一體化與信息系統已經廣泛的應用到發動機行業，但是由于工藝水平的限制，會嚴重影響設計的性能。應用金屬增材制造技術，能夠促進設計與生產的一體化，接訪設計者的思想，優化部件的實際性能。

3.2 未來展望

根據航空行業的發展方向、發動機的特點以及金屬增材工藝的應用范圍，對金屬增材技術在航空發動機領域的未來展望進行分析，具體內容如下：

（1）LSF技術以高導葉片、高渦、鈦合金葉片、葉盤為目標，利用先進的制造工藝，研制并開發閉環控制、工藝調整、特征參數、成形工藝、送粉裝置、執行機構等，提高單晶葉片、鈦合金葉片、整體葉盤的修復技術，兼并大型構建的修復與增材制造。

（2）激光鋪粉工藝則會更加重視常規工藝、小批研制、結構復雜的部件研究，通過評定組織性能、閉環過程、控制缺陷、成形參數、激光掃描的特征、鋪粉機構、粉末物理特征等內容，展開系統研究與技術合作，從而實現高精度、復雜、小型、小批的零件制造。

（3）由于條件、范圍、設備的限制，電子束鋪粉技術應時刻掌握新型技術，以引進成套設備、應用成形零件為主導思想，促進金屬增材制造技術的發展。

（4）等離子送絲工藝，將會以精密修復各中類型的部件為主要目標，依據現有設備的功能，補充相關技術，重點研究組織性能、工藝驗證的評定工作，實現薄壁零件的精密修復。

結語

綜上所述，美國GE公司引領金屬增材制造技術的發展方向，推動其在航空發動機制造業中的應用，而增材技術在我國起步較晚，部分技術尚未常熟，但發展速度較快，廣泛應用于國內的航空發動機中。對于日后的發展而言，金屬制造技術應結合實際需求，改善生產、成形工藝，提高部件性能，促進技術與航空業的發展。

參考文獻

[1]吳復堯，劉黎明，許沂，等.3D打印技術在國外航空航天領域的發展動態[J].飛航導彈，2013（12）：10-15.

[2]王華明，張述泉，王向明.大型鈦合金結構件激光直接制造的進展與挑戰[J].中國激光，2016，36（12）：3204-3209.

[3]李延民，李建國，楊海歐，等.金屬零件激光直接成形[J].應用激光，2014，22（2）：140-144.

[4]費群星，張雁，譚永生.鎳基合金激光直接制造的顯微組織與缺陷分析[J].熱加工工藝，2016，35（19）：1-4.