增材制造技術(shù)如何為航空發(fā)動(dòng)機(jī)“減負(fù)”？

來(lái)源：兩機(jī)動(dòng)力先行

3D打印技術(shù)作為一種獨(dú)特的快速成型手段，利用激光束、電子束等作為能量媒介，在真空或惰性氣體保護(hù)環(huán)境中，精準(zhǔn)熔化各類(lèi)金屬、樹(shù)脂及陶瓷材料。通過(guò)精密的三維模型分層規(guī)劃，該技術(shù)逐層疊加熔化的材料，最終構(gòu)建出成品。其顯著優(yōu)勢(shì)包括成本降低、接近最終形狀的凈成形、便攜化生產(chǎn)以及廣泛的產(chǎn)品適應(yīng)性。

尤為值得一提的是，3D打印的高度靈活特性，在應(yīng)對(duì)大尺寸、高精度及復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造挑戰(zhàn)時(shí)展現(xiàn)出非凡能力，這恰好與航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件制造中的諸多難題不謀而合。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和零部件特點(diǎn)      
燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜而精密，主要由進(jìn)氣道壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪和尾噴管這五大核心部件構(gòu)成，此外還集成了燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)以及附件傳動(dòng)系統(tǒng)等輔助部分。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)成令人驚嘆，其零部件數(shù)量可多達(dá)2萬(wàn)至3萬(wàn)件，種類(lèi)繁多，按結(jié)構(gòu)形式大致可劃分為軸類(lèi)件、盤(pán)類(lèi)件、鼓筒、環(huán)形機(jī)匣、箱式機(jī)匣以及葉片等幾大類(lèi)。

軸類(lèi)件涵蓋了風(fēng)扇軸、壓氣機(jī)軸、渦輪軸等關(guān)鍵部件；盤(pán)類(lèi)件則主要包括壓氣機(jī)盤(pán)和渦輪盤(pán)；鼓筒類(lèi)有風(fēng)扇/增壓級(jí)整體鼓筒和高壓壓氣機(jī)焊接鼓筒等；環(huán)形機(jī)匣系列則囊括了進(jìn)氣機(jī)匣、壓氣機(jī)機(jī)匣、燃燒室機(jī)匣等重要部分；箱式機(jī)匣則包含中央傳動(dòng)機(jī)匣、附件傳動(dòng)機(jī)匣、滑油泵機(jī)匣等；而葉片，作為關(guān)鍵部件之一，分為風(fēng)扇葉片、壓氣機(jī)葉片和渦輪葉片，它們?cè)诟邷馗邏涵h(huán)境中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。關(guān)注公眾號(hào): 增材制造碩博聯(lián)盟，免費(fèi)獲取海量增材資料，聚焦增材制造研究與工程應(yīng)用！

零部件顯著的特點(diǎn)：
尺寸龐大且形狀復(fù)雜，如風(fēng)扇葉片不僅體積大且呈不規(guī)則曲面，渦輪葉片內(nèi)部更是設(shè)計(jì)了復(fù)雜的冷卻通道以實(shí)現(xiàn)高效冷卻。

材料加工難度大，由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)需在極端環(huán)境下運(yùn)行，其零部件多采用鈦合金、鎳基高溫合金等高強(qiáng)度且難以加工的材料制成，且多為薄壁件，加工過(guò)程中極易發(fā)生變形。

制造周期長(zhǎng)、成本高，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和嚴(yán)苛的材料要求使得制造過(guò)程繁瑣且耗時(shí)耗力。

零部件修復(fù)
航空發(fā)動(dòng)機(jī)在極端的高溫高壓環(huán)境下持續(xù)運(yùn)行，其關(guān)鍵部件如壓氣機(jī)葉片和渦輪葉片極易遭受燒傷、裂紋及異物沖擊等損傷。針對(duì)這些核心零部件的快速、低成本的再生制造技術(shù)，尤其是利用3D打印技術(shù)，一直是西方國(guó)家的技術(shù)封鎖重點(diǎn)，也是我國(guó)亟待突破的技術(shù)瓶頸。特別是進(jìn)口發(fā)動(dòng)機(jī)，受制于國(guó)外技術(shù)封鎖，一旦這些關(guān)鍵部件報(bào)廢，往往只能以高昂的代價(jià)進(jìn)行更換。

然而，全球范圍內(nèi)已有一些成功案例，如美國(guó)Optomec Design公司利用激光熔化沉積（LMD）技術(shù)成功修復(fù)了T700發(fā)動(dòng)機(jī)的整體葉盤(pán)；德國(guó)MTU公司也通過(guò)LMD技術(shù)恢復(fù)了渦輪葉片冠部的精確幾何尺寸；瑞士洛桑理工學(xué)院的W.Kurz教授團(tuán)隊(duì)則實(shí)現(xiàn)了高溫合金單晶葉片的LMD技術(shù)修復(fù)。

在國(guó)內(nèi)，研究者已經(jīng)積極投身于LMD技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)損傷部件修復(fù)領(lǐng)域的研究，并取得顯著進(jìn)展。

零部件直接制造
早在1979年，美國(guó)聯(lián)合技術(shù)研究中心便率先提出了在航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)制造中運(yùn)用直接增材制造技術(shù)的創(chuàng)新理念。這一前瞻性構(gòu)想迅速在業(yè)界引起轟動(dòng)，并推動(dòng)了3D打印技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。進(jìn)入20世紀(jì)末，多家國(guó)際知名的發(fā)動(dòng)機(jī)制造商紛紛將3D打印技術(shù)納入其生產(chǎn)流程，引領(lǐng)了一股航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件3D打印的潮流。

其中，英國(guó)Rolls-Royce公司憑借其在3D打印技術(shù)上的卓越成就，成功打印出TrentXWB-97發(fā)動(dòng)機(jī)的前軸承機(jī)匣。該機(jī)匣以鈦合金為材料，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且尺寸龐大，達(dá)到了1500mm x 500mm的規(guī)格。通過(guò)3D打印技術(shù)，Rolls-Royce公司不僅大幅縮短了30%的制造時(shí)間，還順利完成了該機(jī)匣的裝機(jī)地面測(cè)試，進(jìn)一步驗(yàn)證了3D打印技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造中的可靠性。

與此同時(shí)，GE公司也在其LEAP-1A航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴嘴制造中采用了SLM技術(shù)。這一創(chuàng)新舉措使得該發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率較同類(lèi)產(chǎn)品提升了15%，生產(chǎn)周期顯著縮短，生產(chǎn)成本更是降低了50%。此外，西門(mén)子公司、賽峰發(fā)動(dòng)機(jī)公司和Euro-K公司等也紛紛效仿，將3D打印技術(shù)應(yīng)用于燃油噴嘴的生產(chǎn)中，進(jìn)一步推動(dòng)了該技術(shù)的普及和發(fā)展。

德國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司MTU同樣不甘落后，他們首次利用3D打印技術(shù)制造出了用于PW1100G-JM發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪部分的鎳基高溫合金管道鏡軸套。成功的案例不僅展示了3D打印技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造中的巨大潛力，也為未來(lái)更多零部件的3D打印應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖1  航空發(fā)動(dòng)機(jī)可應(yīng)用增材制造的零部件示意圖

近年來(lái)，中國(guó)在3D打印技術(shù)應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件制造領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展，盡管多數(shù)研究仍處于基礎(chǔ)探索與地面試驗(yàn)階段，但已有少數(shù)成果成功實(shí)現(xiàn)了裝機(jī)驗(yàn)證。例如，通過(guò)選擇性激光熔化（SLM）技術(shù)，成功制造了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦合金導(dǎo)管彎頭，并經(jīng)過(guò)減材加工以滿(mǎn)足裝機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，該部件已在某型無(wú)人機(jī)航空發(fā)動(dòng)機(jī)中得到了實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證。關(guān)注公眾號(hào): 增材制造碩博聯(lián)盟，免費(fèi)獲取海量增材資料，聚焦增材制造研究與工程應(yīng)用！

此外，3D打印技術(shù)還被用于制造渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)雜附件傳動(dòng)機(jī)匣，該機(jī)匣集成了燃油和滑油管路，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，經(jīng)工藝試驗(yàn)后，其粗糙度優(yōu)于傳統(tǒng)鑄件，且密封性能完全滿(mǎn)足使用需求。

更有研究者提出了利用激光熔化沉積（LMD）工藝快速成型航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的方法，深入分析了工藝參數(shù)對(duì)成形質(zhì)量和效率的影響。同時(shí)，我國(guó)還成功制備了渦輪導(dǎo)向葉片的毛坯結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性能達(dá)標(biāo)，但外形尺寸尚需進(jìn)一步減材加工以完善。這些成果標(biāo)志著中國(guó)在3D打印技術(shù)應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件制造領(lǐng)域邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。

除此之外，還有一系列成果成功實(shí)現(xiàn)裝機(jī)應(yīng)用。

測(cè)量受感部件葉片型芯及樹(shù)脂模型制造         
除了零部件修復(fù)與直接制造外，3D打印技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域內(nèi)展現(xiàn)出更為廣泛的潛在應(yīng)用，涵蓋了測(cè)量受感部件、葉片型芯及樹(shù)脂模型的制造等多個(gè)方面。在試驗(yàn)的關(guān)鍵階段，精確測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)至關(guān)重要，而這些測(cè)量受感部件往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

通過(guò)引入3D打印技術(shù)，不僅顯著縮短了這些復(fù)雜部件的研發(fā)周期，還實(shí)現(xiàn)了部件的輕量化。成功利用3D打印技術(shù)制造了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力測(cè)量受感部件，并經(jīng)過(guò)嚴(yán)格考核，證明其性能符合國(guó)軍標(biāo)要求，標(biāo)志著3D打印在航空發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試部件制造領(lǐng)域的初步成功，預(yù)示著未來(lái)更廣泛的應(yīng)用前景。

此外，隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷攀升，渦輪葉片的工作環(huán)境日益嚴(yán)苛，對(duì)材料熔點(diǎn)及冷卻通道結(jié)構(gòu)提出了更高要求。傳統(tǒng)熔模鑄造技術(shù)在面對(duì)高度復(fù)雜冷卻通道時(shí)顯得力不從心，而3D打印技術(shù)，特別是光固化成形技術(shù)（SLA），為陶瓷鑄造型芯的制造提供了創(chuàng)新解決方案。

通過(guò)精確控制每一層材料的固化，SLA技術(shù)能夠制造出具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的陶瓷型芯，滿(mǎn)足現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的制造需求。這一技術(shù)的應(yīng)用，不僅推動(dòng)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，也為未來(lái)更高性能發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。