增材制造在航空發動機中的應用研究

梁振興

摘 要 近年來，增材制造技術發展迅速，成為各國制造業的重點發展方向，本文介紹了增材制造技術在航空發動機中的應用，提出了該技術在航空發動機應用面臨的困難，并對其未來的發展進行了展望。

關鍵詞 增材制造;航空發動機

前言

航空發動機被譽為人類工業皇冠上的明珠，作為飛機的心臟，其性能直接影響了飛機的性能和可靠性。對航空發動機高性能的追求導致其結構越發復雜，對整個發動機零部件的制造工藝水平都提出了更高的要求。增材制造技術也稱為3D打印技術，是通過CAD設計數據采用材料逐層累加的方法制造實體零件的技術，相對于傳統的材料去除技術，是一種“自下而上”材料累加的制造方法[1]。這種制造技術具備精度高，周期短，能夠加工復雜零部件等優勢，非常適合用于制造各種形狀復雜的航空發動機零部件。近年來，各航空發動機大國都加強了增材制造在發動機上的應用研究，主要集中于金屬零部件的直接成型和大型構件的修復。

1 航空發動機的增材制造應用

1.1 金屬零件直接成型

國內外的航空發動機公司和研究機構都對增材制造技術應用于金屬零件的直接成型做了大量研究工作。GE航空公司作為增材制造領域全球的領導者對增材制造進行了多年的研究。 GE已經開始采用增材制造技術量產新一代的LEAP噴氣發動機燃料噴嘴已于2016年開始服役。其最新的發動機GE9X已經實現了T25傳感器外殼、熱交換器、誘導器、第5階段低壓渦輪葉片、第6階段葉片和燃燒器攪拌機這幾個部件的增材制造。GE在2018年試驗的ATP發動機，用12個增材制造部件來替換800多個減材制造零件，增材部件占到了總零件數的35%[2]。另一家美國航空發動機巨頭普惠公司也于2018年宣布使用增材制造技術生產的零件，這款使用電子束粉末床熔融工藝加工的同步環支架被安裝到PW-1500批產發動機上。普惠旗下一家子公司正在開展增材制造旋轉件研究，據報道為整體葉盤。英國的羅羅公司作為航空發動機巨頭，也在一直積極進行增材制造技術的研究，已經制造了XWB97K的前軸承葉片，并且將在新一代羅羅Adcance3發動機上大量使用增材制造技術。我國也對增材制造生產零件進行了大量研究，我國西安交通大學利用棘突光固化的空心渦輪葉片制造技術，實現了多種航空發動機空心渦輪葉片的試制，將試驗周期從6月縮短至1月，成本從80多萬元降低到1萬元左右[3]。經過20余年的不懈努力，北京航空航天大學王華明院士團隊成功研制具有原創核心技術的世界最大的激光增材制造設備（最大成形尺寸達7m×4m×3.5m），以及世界最大的發動機鈦合金加強框。中國航發集團下屬的商用發動機公司利用增材制造技術完成了3D打印燃燒室燃油噴嘴等多項技術研究。

1.2 構件的修復

航空發動機零部件價錢昂貴，在使用過程中容易受到外物損傷等，增材制造技術的另一個應用領域就是對航空發發動機零部件的修復，包括渦輪葉片、渦輪盤、外殼和風扇等。增材制造技術可以重建零件缺失部分，將受損零件修復到設計的形狀尺寸[4]。據報道，GE公司的研究團隊通過混合增材制造設備，修復受損的發動機葉片，修復后的葉片性能得到了提高，整個渦輪的性能得到了提升。法國的增材制造設備公司BeAM生產的機器修復了航空發動機的渦輪部件。德國漢莎航空維修公司，也開始使用增材制造技術來維修新一代的航空發動機零部件。美國Optomec公司利用增材制造技術修復傳統焊接工藝無法修復的零件，包括發動機高溫合金和鈦合金葉片，修復的一級渦輪整體葉盤，順利通過了考核，符合修理的標準。澳大利亞IMCRC通過研究增材制造來解決金屬的損傷問題，尤其是發動機零件在使用過程中出現的腐蝕和應力腐蝕。國內也在增材制造修復航空發動機零部件上做了大量工作，包括機匣和整體葉盤的修復等。

2 航空發動機增材制造技術應用問題

增材制造在航空發動機的應用存在著一些問題。首先是如何提高增材制造零部件的質量，目前增材制造的零件很多不能滿足發動機零件精度和性能方面的要求，且容易出現一些增材制造缺陷，導致零件的力學性能不能滿足要求。其次就是增材制造的使用成本較高。由于增材制造是小批量，無法進行大規模的量產，因此如何將增材制造的生產效率提高，能夠以更低的生產成本生產更大、更為復雜的零部件，是今后需要研究的方向。

3 結束語

隨著增材制造技術的不斷成熟和發展，增材制造技術將會在航空發動機部件制造和維修中發揮更大的作用。目前增材制造在質量和成本等方面還面臨著一些挑戰，需要研究人員對該技術繼續進行深入的研究，同時研究新一代發動機用復合材料的增材制造技術。

參考文獻

[1] 盧秉恒，李滌塵.增材制造（3D打印）技術發展[J].機械制造與自動化，2013，42（4）：1-4.

[2] 朱宏康.美國通用電氣公司（GE）增材制造動態[J].中國材料進展，2019，38（4）：410-412

[3] 魯中良.基于光固化3D打印的空心渦輪葉片快速精密鑄造技術[C].中國機械工程學會鑄造分會，2016：638.

[4] Dutta B，Froes F H. Additive manufacturing of titanium alloys[J]. Advanced Materials and Processes，2014，172（2）：18.