增材制造技術(shù)如何為航空發(fā)動機“減負”？
更新時間:2025-01-16 13:55:13
?來源：兩機動力先行3D打印技術(shù)作為一種獨特的快速成型手段，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環(huán)境中，精準(zhǔn)熔化各類金屬、樹脂及陶瓷材料。通過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)對大尺寸、高精度及復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造挑戰(zhàn)時展現(xiàn)出非凡能力，這恰好與航空發(fā)動機零部件制造中的諸多難題不謀而合。航空發(fā)動機的結(jié)構(gòu)和零部件特點 燃氣渦輪發(fā)動機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜而精密，主要由進氣道壓氣機、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)以及附件傳動系統(tǒng)等輔助部分。航空發(fā)動機的構(gòu)成令人驚嘆，其零部件數(shù)量可多達2萬至3萬件，種類繁多，按結(jié)構(gòu)形式大致可劃分為軸類件、盤類件、鼓筒、環(huán)形機匣、箱式機匣以及葉片等幾大類。軸類件涵蓋了風(fēng)扇軸、壓氣機軸、渦輪軸等關(guān)鍵部件；盤類件則主要包括壓氣機盤和渦輪盤；鼓筒類有風(fēng)扇/增壓級整體鼓筒和高壓壓氣機焊接鼓筒等；環(huán)形機匣系列則囊括了進氣機匣、壓氣機機匣、燃燒室機匣等重要部分；箱式機匣則包含中央傳動機匣、附件傳動機匣、滑油泵機匣等；而葉片，作為關(guān)鍵部件之一，分為風(fēng)扇葉片、壓氣機葉片和渦輪葉片，它們在高溫高壓環(huán)境中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。關(guān)注公眾號: 增材制造碩博聯(lián)盟，免費獲取海量增材資料，聚焦增材制造研究與工程應(yīng)用！零部件顯著的特點：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)計了復(fù)雜的冷卻通道以實現(xiàn)高效冷卻。材料加工難度大，由于航空發(fā)動機需在極端環(huán)境下運行，其零部件多采用鈦合金、鎳基高溫合金等高強度且難以加工的材料制成，且多為薄壁件，加工過程中極易發(fā)生變形。制造周期長、成本高，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和嚴苛的材料要求使得制造過程繁瑣且耗時耗力。零部件修復(fù)航空發(fā)動機在極端的高溫高壓環(huán)境下持續(xù)運行，其關(guān)鍵部件如壓氣機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)，一直是西方國家的技術(shù)封鎖重點，也是我國亟待突破的技術(shù)瓶頸。特別是進口發(fā)動機，受制于國外技術(shù)封鎖，一旦這些關(guān)鍵部件報廢，往往只能以高昂的代價進行更換。然而，全球范圍內(nèi)已有一些成功案例，如美國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)動機的整體葉盤；德國MTU公司也通過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教授團隊則實現(xiàn)了高溫合金單晶葉片的LMD技術(shù)修復(fù)。在國內(nèi)，研究者已經(jīng)積極投身于LMD技術(shù)在航空發(fā)動機損傷部件修復(fù)領(lǐng)域的研究，并取得顯著進展。零部件直接制造早在1979年，美國聯(lián)合技術(shù)研究中心便率先提出了在航空發(fā)動機渦輪盤制造中運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，并推動了3D打印技術(shù)在航空發(fā)動機零部件制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。進入20世紀末，多家國際知名的發(fā)動機制造商紛紛將3D打印技術(shù)納入其生產(chǎn)流程，引領(lǐng)了一股航空發(fā)動機零部件3D打印的潮流。其中，英國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)動機的前軸承機匣。該機匣以鈦合金為材料，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且尺寸龐大，達到了1500mm x 500mm的規(guī)格。通過3D打印技術(shù)，Rolls-Royce公司不僅大幅縮短了30%的制造時間，還順利完成了該機匣的裝機地面測試，進一步驗證了3D打印技術(shù)在航空發(fā)動機制造中的可靠性。與此同時，GE公司也在其LEAP-1A航空發(fā)動機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)動機的燃油效率較同類產(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，西門子公司、賽峰發(fā)動機公司和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，進一步推動了該技術(shù)的普及和發(fā)展。德國航空發(fā)動機公司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)動機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)動機制造中的巨大潛力，也為未來更多零部件的3D打印應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。圖1 航空發(fā)動機可應(yīng)用增材制造的零部件示意圖
近年來，中國在3D打印技術(shù)應(yīng)用于航空發(fā)動機零部件制造領(lǐng)域取得了顯著進展，盡管多數(shù)研究仍處于基礎(chǔ)探索與地面試驗階段，但已有少數(shù)成果成功實現(xiàn)了裝機驗證。例如，通過選擇性激光熔化（SLM）技術(shù)，成功制造了航空發(fā)動機的鈦合金導(dǎo)管彎頭，并經(jīng)過減材加工以滿足裝機標(biāo)準(zhǔn)，該部件已在某型無人機航空發(fā)動機中得到了實際應(yīng)用驗證。關(guān)注公眾號: 增材制造碩博聯(lián)盟，免費獲取海量增材資料，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)動機的復(fù)雜附件傳動機匣，該機匣集成了燃油和滑油管路，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，經(jīng)工藝試驗后，其粗糙度優(yōu)于傳統(tǒng)鑄件，且密封性能完全滿足使用需求。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)動機葉片的方法，深入分析了工藝參數(shù)對成形質(zhì)量和效率的影響。同時，我國還成功制備了渦輪導(dǎo)向葉片的毛坯結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性能達標(biāo)，但外形尺寸尚需進一步減材加工以完善。這些成果標(biāo)志著中國在3D打印技術(shù)應(yīng)用于航空發(fā)動機零部件制造領(lǐng)域邁出了堅實的一步。除此之外，還有一系列成果成功實現(xiàn)裝機應(yīng)用。測量受感部件葉片型芯及樹脂模型制造 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)動機領(lǐng)域內(nèi)展現(xiàn)出更為廣泛的潛在應(yīng)用，涵蓋了測量受感部件、葉片型芯及樹脂模型的制造等多個方面。在試驗的關(guān)鍵階段，精確測量發(fā)動機參數(shù)至關(guān)重要，而這些測量受感部件往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜。通過引入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)動機的壓力測量受感部件，并經(jīng)過嚴格考核，證明其性能符合國軍標(biāo)要求，標(biāo)志著3D打印在航空發(fā)動機測試部件制造領(lǐng)域的初步成功，預(yù)示著未來更廣泛的應(yīng)用前景。此外，隨著航空發(fā)動機性能的不斷攀升，渦輪葉片的工作環(huán)境日益嚴苛，對材料熔點及冷卻通道結(jié)構(gòu)提出了更高要求。傳統(tǒng)熔模鑄造技術(shù)在面對高度復(fù)雜冷卻通道時顯得力不從心，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，滿足現(xiàn)代航空發(fā)動機葉片的制造需求。這一技術(shù)的應(yīng)用，不僅推動了航空發(fā)動機技術(shù)的進步，也為未來更高性能發(fā)動機的研發(fā)奠定了堅實基礎(chǔ)。
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