深度解析3D打印技術在航空發動機中的應用

2017.05.20/文

 增材制造技術最重要的應用首推航空航天領域。美國“增材制造路線圖”把航空航天需求作為增材制造的第一位工業應用目標,波音、GE、霍尼韋爾、洛克希德?馬丁等美國著名航空航天企業都是美國增材制造創新研究所(NAMII)的成員單位。澳大利亞政府于2012年2月宣布支持一項航空航天領域革命性的項目“微型發動機增材制造技術”。2012年9月,英國技術戰略委員會特別專家組在一份題為“Shaping our National Competency in Additive  Manufacturing”的專題報告中,也把航空航天作為增材制造技術的首要應用領域。 

1 增材制造技術的優勢 

以3D打印制造技術為例,作為信息化和制造技術的高度融合,3D打印能夠實現高性能復雜結構金屬零件的無模具、快速、全致密、近凈成形,特別是對于激光立體成形和修復的零件,其力學性能同鍛件性能相當,成為了應對航空發動機與燃氣輪機領域技術挑戰的最佳新技術途徑。相對傳統制造技術,3D打印技術具有以下十大潛在優勢。 

(1) 降低制造成本。對于傳統制造,產品形狀越復雜,制造成本越高。3D打印不會因為產品形狀的復雜程度提高而消耗更多的時間或成本,針對航空發動機為追求性能而呈現的大量形狀復雜的零件制造,3D打印無疑具有優勢。 

(2) 適于產品多樣化。航空發動機本身就是“試出來的”產品,研制過程需要多次反復修改設計,傳統上每一輪改進都需要對模具進行修改并增加制造成本,3D打印不需要針對產品的形狀改變而修改模具。 

(3) 最小化裝配和減重。通過拓撲優化設計,3D打印可以打印組合零件,減少產品裝配并降低產品重量。 

(4) 即時交付。3D打印可以按需打印,從而大大壓縮航空發動機部分長周期零件的試制周期。 

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(5) 拓展設計空間。受傳統制造方式限制,產品只能根據工藝的可實現性來設計,如航空發動機渦輪葉片上氣模孔的形狀只能是圓形。3D打印可以使渦輪葉片的氣模孔根據冷卻效果要求設計成橢圓形或其他任意形狀。 

(6) 降低技能要求。傳統上,航空發動機很多零件制造對操作人員技能有很高要求,甚至出現過個別零件只能由1人或少數幾人制造的情形。3D打印從設計文件中獲取各種指令,制造同樣復雜的產品,3D打印機所需的操作技能遠低于傳統鑄造。 

(7) 便攜制造。傳統的鑄造、鍛造一般僅能制造比設備小的產品。3D打印機調試好后,打印設備可以自由移動,制造出比自身設備還要大的產品。

(8) 降低浪費。與傳統加工減材制造相反,3D打印制造屬于增材制造,航空發動機與燃氣輪機所使用的大量傳統金屬加工,大量原材料都在加工過程中被廢棄,而3D打印的“凈成形”大幅減少金屬制造浪費量。 

(9) 材料組合。對于傳統航空發動機與燃氣輪機制造方式來講,將不同材料組合(鑄造、鍛造等)成單一產品非常困難,3D打印有能力將不同原材料融合在一起。 

(10) 精確實體復制。類似于數字文件復制,3D打印未來將使得數字復制擴展到實體領域,實現異地零件復制。 

2 應用現狀 

2.1 直接制造領域 

金屬零件的直接增材制造的技術構思,由美國聯合技術研究中心(UTRC)在1979年首先提出,其應用對象就是制造航空發動機渦輪盤[2]。1994年,國際三大航空發動機公司之一的英國羅爾斯?羅伊斯公司(Rolls-Royce)與英國Crankfield大學一起探索航空發動機機匣的激光立體成形(LSF)制造技術。2000年,美國波音公司首先宣布采用LSF技術制造的三個鈦合金零件在F-22和F/A-l8E/F飛機上獲得應用,并在2001年制定了LSF技術的美國國家標準(該標準在2011年進行了修訂),由此在全球掀起了金屬零件直接增材制造的第一次熱潮。

2005年,西北工業大學將LSF技術與鑄造技術相結合,建立激光組合制造技術,解決了航空發動機In961+GH4169合金復合軸承后機匣[4]的制造難題,保證了新型發動機研制按時裝機試車。近年來,隨著金屬直接增材制造技術成熟度的逐漸提高,特別是金屬直接增材制造裝備的商用化,采用金屬直接增材制造技術進行航空發動機零部件的成形制造又逐漸受到了國內外航空發動機公司和研究機構的重視。圖1顯示了德國EOS公司所展示的其所生產的選擇性激光熔化(SLM) 裝備在航空發動機零部件制造的應用潛力。 

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意大利Avio公司采用瑞典Arcam公司所生產的電子束熔化裝備(EBM)生產了TiAl低壓渦輪葉片。德國MTU航空發動機公司,除了將LSF技術應用于航空發動機零部件的修復之外,近期也開始測試采用SLM技術直接制造的航空發動機小型壓氣機靜子件。羅爾斯?羅伊斯航空發動機公司同樣也在考慮將金屬直接增材制造技術應用于其先進航空發動機的輕量化構件的直接制造。普惠公司(Pratt&Whitney)則依托MTU航空發動機公司,也在開展SLM技術直接制造PurePower PW1100G-JM 航空發動機零部件的測試工作,如圖2所示。

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 目前,美國GE公司已擁有各類金屬直接增材制造裝備300多臺套,在航空發動機金屬零件的直接增材制造方面已走在國際前列。近期,美國GE公司基于其航空發動機高端零件直接制造的需求,通過收購美國Morris公司和意大利Avio公司,重點開展了航空發動機零件的SLM和EBM制造研究和相關測試。美國Morris公司采用SLM技術生產了大量的航空發動機零件,如圖3所示,已經擁有超過20臺最先進的SLM設備。2013年底,GE公司宣布,將采用SLM技術為其下一代的GE Leap發動機生產噴油嘴,每年的產量將達到40000個。GE公司發現,采用SLM技術生產噴嘴,生產周期可縮短2/3,生產成本降低50%,同時可靠性得到了大大的提高。

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2.2 增材修復領域 

航空發動機工作的苛刻環境決定了其對零件制造的要求極高,在很長一段時間里,金屬直接增材制造重點還是著重于航空發動機零部件的修復。致力于使LSF技術商用化的美國Optomec Design公司,已將LSF技術應用于T700美國海軍飛機發動機零件的磨損修復,如圖4所示,實現了已失效零件的快速、低成本再生制造。德國MTU公司與漢諾威激光研究中心則將LSF技術用于渦輪葉片冠部組里面的硬面 覆層或恢復幾何尺寸。

德國Fraunhofer研究所則重點研究了LSF技術在鈦合金和高溫合金航空發動機損傷構件修復再制造的應用。英國Rolls-Royce航空發動機公司則將LSF技術用于渦輪發動機構件的修復。瑞士洛桑理工學院W. Kurz教授的研究組采用LSF技術實現了高溫合金單晶葉片的修復。 在國內,西北工業大學基于LSF技術開展了系統的激光成形修復的研究與應用工作,已經針對發動機部件的激光成形修復工藝及組織性能控制一體化技術進行了較為系統的研究,并在小、中、大型航空發動機機匣、葉片、葉盤、油管等重要關鍵零件的修復中獲得廣泛應用,如圖5所示。    

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3 應用前景 

GE公司通過GRABCAD協會舉辦了一次基于金屬直接增材制造技術鈦合金發動機支架的再設計大賽,共有56個國家的設計愛好者提交了697個參賽作品,其中冠軍設計將支架的重量從原設計的2.033kg減輕至327g,減重達84%。由于采用基于粉末床的SLM技術難以避免在零件生產中產生微小孔洞,造成疲勞性能降低,對于GE公司來說,采用SLM技術生產的零件主要用于生產異形管路和鑄件。為此,GE公司同時也在探索采用基于同步材料送進技術的LSF技術生產高性能致密航空發動機零件。

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 圖6顯示了GE公司依托西北工業大學LSF技術所制造的GE 90發動機復合材料寬弦風扇葉片鈦合金進氣邊和高溫合金機匣。其中,鈦合金進氣邊長1000mm,壁厚0.8~1.2mm,最終加工變形僅 0.12mm,通過了GE公司的測試。 圖7所示為GE公司預計可在航空發動機各部位應用金屬直接增材制造零部件的示意圖。GE公司預計采用金屬直接增材制造的零件,未來可占航空發動機零部件的50%,使其研發的大型航空發動機每臺至少減重454kg。

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金屬直接增材制造技術已經在航空發動機零部件的制造上顯示了重要的應用潛力和廣闊的應用前景。不過,基于技術原理 和制造成本,任何一項加工技術都有與其相適應的零件結構特點,對于航空發動機零部件的制造同樣如此。基于金屬直接增材制造技術的成形精度、效率和成本特點,這項技術非常適用于制造發動機中具有輕量化要求的復雜構件,特別是帶有內部油路、管路的構件,具有復雜凸緣或凸臺的構件,具有復雜翼型的構件,具有封閉或開孔蜂窩結構的構件和集成異形通路的構件。

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作者:王強(中航商用航空發動機有限責任公司),孫躍(上海市經濟和信息化委員會)

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