解析3D打印技术在航空发动机中的应用

安娜PARKER
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增材制造技术最重要的应用首推航空航天领域。美国“增材制造路线图”把航空航天需求作为增材制造的第一位工业应用目标,波音、GE、霍尼韦尔、洛克希德?马丁等美国著名航空航天企业都是美国增材制造创新研究所(NAMII)的成员单位。澳大利亚政府于2012年2月宣布支持一项航空航天领域革命性的项目“微型发动机增材制造技术”。2012年9月,英国技术战略委员会特别专家组在一份题为“Shaping our National Competency in Additive  Manufacturing”的专题报告中,也把航空航天作为增材制 造技术的首要应用领域。 

1 增材制造技术的优势 

以3D打印制造技术为例,作为信息化和制造技术的高度融合,3D打印能够实现高性能复杂结构金属零件的无模具、快速、全致密、近净成形,特别是对于激光立体成形和修复的零件,其力学性能同锻件性能相当,成为了应对航空发动机与燃气轮机领域技术挑战的最佳新技术途径。相对传统制造技术,3D打印技术具有以下十大潜在优势。 

(1) 降低制造成本。对于传统制造,产品形状越复杂,制造成本越高。3D打印不会因为产品形状的复杂程度提高而消耗更多的时间或成本,针对航空发动机为追求性能而呈现的大量形状复杂的零件制造,3D打印无疑具有优势。 

(2) 适于产品多样化。航空发动机本身就是“试出来的”产品,研制过程需要多次反复修改设计,传统上每一轮改进都需要对模具进行修改并增加制造成本,3D打印不需要针对产品的形状改变而修改模具。 

(3) 最小化装配和减重。通过拓扑优化设计,3D打印可以打印组合零件,减少产品装配并降低产品重量。 

(4) 即时交付。3D打印可以按需打印,从而大大压缩航空发动机部分长周期零件的试制周期。 

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(5) 拓展设计空间。受传统制造方式限制,产品只能根据工艺的可实现性来设计,如航空发动机涡轮叶片上气模孔的形状只能是圆形。3D打印可以使涡轮叶片的气模孔根据冷却效果要求设计成椭圆形或其他任意形状。 

(6) 降低技能要求。传统上,航空发动机很多零件制造对操作人员技能有很高要求,甚至出现过个别零件只能由1人或少数几人制造的情形。3D打印从设计文件中获取各种指令,制造同样复杂的产品,3D打印机所需的操作技能远低于传统铸造。 

(7) 便携制造。传统的铸造、锻造一般仅能制造比设备小的产品。3D打印机调试好后,打印设备可以自由移动,制造出比自身设备还要大的产品。

(8) 降低浪费。与传统加工减材制造相反,3D打印制造属于增材制造,航空发动机与燃气轮机所使用的大量传统金属加工,大量原材料都在加工过程中被废弃,而3D打印的“净成形”大幅减少金属制造浪费量。 

(9) 材料组合。对于传统航空发动机与燃气轮机制造方式来讲,将不同材料组合(铸造、锻造等)成单一产品非常困难,3D打印有能力将不同原材料融合在一起。 

(10) 精确实体复制。类似于数字文件复制,3D打印未来将使得数字复制扩展到实体领域,实现异地零件复制。 

2 应用现状 

2.1 直接制造领域 

金属零件的直接增材制造的技术构思,由美国联合技术研究中心(UTRC)在1979年首先提出,其应用对象就是制造航空发动机涡轮盘[2]。1994年,国际三大航空发动机公司之一的英国罗尔斯?罗伊斯公司(Rolls-Royce)与英国Crankfield大学一起探索航空发动机机匣的激光立体成形(LSF)制造技术。2000年,美国波音公司首先宣布采用LSF技术制造的三个钛合金零件在F-22和F/A-l8E/F飞机上获得应用,并在2001年制定了LSF技术的美国国家标准(该标准在2011年进行了修订),由此在全球掀起了金属零件直接增材制造的第一次热潮。

2005年,西北工业大学将LSF技术与铸造技术相结合,建立激光组合制造技术,解决了航空发动机In961+GH4169合金复合轴承后机匣[4]的制造难题,保证了新型发动机研制按时装机试车。近年来,随着金属直接增材制造技术成熟度的逐渐提高,特别是金属直接增材制造装备的商用化,采用金属直接增材制造技术进行航空发动机零部件的成形制造又逐渐受到了国内外航空发动机公司和研究机构的重视。图1显示了德国EOS公司所展示的其所生产的选择性激光熔化(SLM) 装备在航空发动机零部件制造的应用潜力。 

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意大利Avio公司采用瑞典Arcam公司所生产的电子束熔化装备(EBM)生产了TiAl低压涡轮叶片。德国MTU航空发动机公司,除了将LSF技术应用于航空发动机零部件的修复之外,近期也开始测试采用SLM技术直接制造的航空发动机小型压气机静子件。罗尔斯?罗伊斯航空发动机公司同样也在考虑将金属直接增材制造技术应用于其先进航空发动机的轻量化构件的直接制造。普惠公司(Pratt&Whitney)则依托MTU航空发动机公司,也在开展SLM技术直接制造PurePower PW1100G-JM 航空发动机零部件的测试工作,如图2所示。

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 目前,美国GE公司已拥有各类金属直接增材制造装备300多台套,在航空发动机金属零件的直接增材制造方面已走在国际前列。近期,美国GE公司基于其航空发动机高端零件直接制造的需求,通过收购美国Morris公司和意大利Avio公司,重点开展了航空发动机零件的SLM和EBM制造研究和相关测试。美国Morris公司采用SLM技术生产了大量的航空发动机零件,如图3所示,已经拥有超过20台最先进的SLM设备。2013年底,GE公司宣布,将采用SLM技术为其下一代的GE Leap发动机生产喷油嘴,每年的产量将达到40000个。GE公司发现,采用SLM技术生产喷嘴,生产周期可缩短2/3,生产成本降低50%,同时可靠性得到了大大的提高。

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2.2 增材修复领域 

航空发动机工作的苛刻环境决定了其对零件制造的要求极高,在很长一段时间里,金属直接增材制造重点还是着重于航空发动机零部件的修复。致力于使LSF技术商用化的美国Optomec Design公司,已将LSF技术应用于T700美国海军飞机发动机零件的磨损修复,如图4所示,实现了已失效零件的快速、低成本再生制造。德国MTU公司与汉诺威激光研究中心则将LSF技术用于涡轮叶片冠部组里面的硬面 覆层或恢复几何尺寸。

德国Fraunhofer研究所则重点研究了LSF技术在钛合金和高温合金航空发动机损伤构件修复再制造的应用。英国Rolls-Royce航空发动机公司则将LSF技术用于涡轮发动机构件的修复。瑞士洛桑理工学院W. Kurz教授的研究组采用LSF技术实现了高温合金单晶叶片的修复。 在国内,西北工业大学基于LSF技术开展了系统的激光成形修复的研究与应用工作,已经针对发动机部件的激光成形修复工艺及组织性能控制一体化技术进行了较为系统的研究,并在小、中、大型航空发动机机匣、叶片、叶盘、油管等重要关键零件的修复中获得广泛应用,如图5所示。    

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3 应用前景 

GE公司通过GRABCAD协会举办了一次基于金属直接增材制造技术钛合金发动机支架的再设计大赛,共有56个国家的设计爱好者提交了697个参赛作品,其中冠军设计将支架的重量从原设计的2.033kg减轻至327g,减重达84%。由于采用基于粉末床的SLM技术难以避免在零件生产中产生微小孔洞,造成疲劳性能降低,对于GE公司来说,采用SLM技术生产的零件主要用于生产异形管路和铸件。为此,GE公司同时也在探索采用基于同步材料送进技术的LSF技术生产高性能致密航空发动机零件。

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 图6显示了GE公司依托西北工业大学LSF技术所制造的GE 90发动机复合材料宽弦风扇叶片钛合金进气边和高温合金机匣。其中,钛合金进气边长1000mm,壁厚0.8~1.2mm,最终加工变形仅 0.12mm,通过了GE公司的测试。 图7所示为GE公司预计可在航空发动机各部位应用金属直接增材制造零部件的示意图。GE公司预计采用金属直接增材制造的零件,未来可占航空发动机零部件的50%,使其研发的大型航空发动机每台至少减重454kg。

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金属直接增材制造技术已经在航空发动机零部件的制造上显示了重要的应用潜力和广阔的应用前景。不过,基于技术原理 和制造成本,任何一项加工技术都有与其相适应的零件结构特点,对于航空发动机零部件的制造同样如此。基于金属直接增材制造技术的成形精度、效率和成本特点,这项技术非常适用于制造发动机中具有轻量化要求的复杂构件,特别是带有内部油路、管路的构件,具有复杂凸缘或凸台的构件,具有复杂翼型的构件,具有封闭或开孔蜂窝结构的构件和集成异形通路的构件。

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作者:王强(中航商用航空发动机有限责任公司),孙跃(上海市经济和信息化委员会)

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