高性能航空發(fā)動機對零件結構的復雜程度要求越來越高，給傳統(tǒng)的制造工藝帶來了很大難度。隨著金屬增材制造技術的日益成熟，不少國外航空發(fā)動機制造商和零部件供應商已經將增材制造技術用于開發(fā)商業(yè)化的零部件，不斷擴大其在航空發(fā)動機上的應用。在近日舉辦的2021 TCT亞洲峰會-航空航天論壇上，來自中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責任公司研究員雷力明分享了《航空發(fā)動機領域增材制造技術應用進展》。

中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責任公司研究員雷力明

根據Wohlers Report 2020，全球2019年增材制造產值118.67億美元，僅占制造業(yè)產值的0.0927%。未來增材制造產品將在航空航天、醫(yī)療、模具、能源等領域得到廣泛應用，預計產值可達到6,400億美元，占制造業(yè)產值的5%以上。2020-2026年之間的航空3D打印材料市場年復合增長率超過18%，其中，航空發(fā)動機年復合增長率為20%。

據雷力明介紹，目前在航空發(fā)動機領域，增材制造技術主要有四個應用方向：直接制造、修復、快速原型和復合制造。

增材制造技術在航空發(fā)動機領域應用的最新進展
● 2020年9月，GE航空公司宣布GE9X發(fā)動機通過獲得美國聯(lián)邦航空管理局（Federal Aviation Administration, FAA）的認證，GE9X是一款巨大的大涵道比渦扇發(fā)動機，單個發(fā)動機為新型雙引擎波音777X系列飛機提供約100,000磅推力，是目前世界上最大商用航空發(fā)動機。增材制造技術在GE9X發(fā)動機的制造中發(fā)揮著重要作用，共有304個3D打印的零件。

LEAP發(fā)動機通的燃油噴嘴是GE航空公司通過增材制造生產的第一個3D打印零部件。GE9X的燃油噴嘴與LEAP發(fā)動機的燃油噴嘴基本相同。這一部件的傳統(tǒng)制造方法是多片部件經過鑄造、機加工和組裝制成，成本較高。GE航空公司采用增材制造技術將傳統(tǒng)工藝的20片部件組裝或焊接的結構制造為一個部件，而且由于材料熔化迅速、局部加熱和冷卻等工藝步驟，使得在恰當熱處理情況下，這種方法得到的制件具有接近鍛造的材料性能。

增材制造避免產生變形和形成微裂紋，實現了燃油噴射系統(tǒng)壽命提高4倍，質量降低25％，研制成本進一步降低。每個GE9X發(fā)動機有28個燃油噴嘴，由鈷鉻合金3D打印而成。采用3D打印燃油噴嘴可以解決燃油混合和燃油噴射等問題，同時還可以減少制造成本，提高使用壽命。

● 在Safran集團與SLM Solutions的一個聯(lián)合項目中，雙方采用選區(qū)激光熔化技術成型了一款商務噴氣式飛機的前起落架組件，這也是全球范圍內首次采用SLM技術進行超大尺寸航空零部件的3D打印工作。
該零件的尺寸為尺寸: 455×295×805mm，材質為鈦合金，該零件的結構要求非常嚴格，既需要在樞軸上轉動，保證起落架能夠自由收放，同時還需要吸收機輪的機械應力。針對于此，SLM? 800擴展了垂直方向的成型尺寸，更加適合大型零部件的生產。該設備不僅運用了SLM Solutions四激光技術，同時還配置有更多創(chuàng)新功能，諸如擁有專利的風場設計以及永久過濾系統(tǒng)，確保了設備穩(wěn)定性。

● 普惠公司（Pratt ＆Whitney）正在與ST Engineering合作，將3D打印的航空發(fā)動機部件應用到其MRO（維護，修理和大修）業(yè)務中。兩家公司都在嘗試引入3D打印技術，以獲得更快、更靈活的維修解決方案。普惠公司的維修專家新加坡航天航空（CAS）也為該項目做出了貢獻。

該3D打印部件將用于普惠公司的發(fā)動機燃油系統(tǒng)部件上。兩家公司共同努力，完成并審查了技術數據集，不僅滿足普惠公司的質量要求，而且還通過了航空法規(guī)審查。據說3D打印部件具有“減少傳統(tǒng)制造工藝對當前材料供應的依賴性的額外優(yōu)勢”。普惠公司認為，增材制造可能會影響整個MRO部門。

● 羅爾斯·羅伊斯（Rolls-Royce）公司發(fā)動機產品組合的最新成員是UltraFan。據報道，與第一代遄達發(fā)動機相比，UltraFan發(fā)動機的燃油效率提高了25%，具有新的發(fā)動機核心架構，該系統(tǒng)的風扇直徑為140英寸（約3.6米）。

借助碳鈦風扇葉片和復合材料風扇機匣，新發(fā)動機可將飛機的重量減輕多達680公斤。它還配備了新的齒輪設計架構，可提供高效動力，以實現高推力和高涵道比。羅羅公司計劃在2022年進行一次完整的發(fā)動機地面測試，并將在不久后進行飛行測試。作為“清潔天空2”和演示樣機的核心合作伙伴，位于瑞典的GKN公司負責設計和制造中間壓氣機機匣。盡管大多數中間壓氣機機匣是使用傳統(tǒng)的鑄造技術制造的，但其中的一些附接零件卻是通過金屬3D打印制造的。生產過程還包括基于計算機模擬的新型焊接方法，優(yōu)化的排氣系統(tǒng)空氣動力學和聲學特性以及較短的主動風道設計。

● 2020年8月，霍尼韋爾航空航天公司（Honeywell Aerospace）首個3D打印的飛機發(fā)動機部件獲得了FAA的認證。據悉，這個獲得認證的部件（#4/5軸承座）是達索“獵鷹”20G海上巡邏機上ATF3-6渦輪風扇發(fā)動機的關鍵結構部件。該零件已在生產中，并已安裝在一架運行中的 “獵鷹”飛機上，預計年底前還將打印出幾十個零件。

通過使用快速成型制造技術，霍尼韋爾能夠在完全不使用工具的情況下生產該部件。即使在低產量的情況下，該公司也能將制造成本和交貨時間都控制在最低限度。同時，利用在增材制造方面的專業(yè)知識，霍尼韋爾將交貨時間從大約兩年縮短到兩周。

民用航空增材產品適航認證面臨的挑戰(zhàn)
增材制造零件通過適航認證是實現民用航空領域工程化應用的前提。FAA認為航空增材產品認證面臨5個方面的挑戰(zhàn)：1.對關鍵工藝參數及其可接受變化范圍認知不足；2.對成形缺陷和關鍵失效機理認知不足；3.缺乏設計許用值等工業(yè)數據庫支撐；4.缺乏可靠的無損檢測（NDI）方法；5.缺乏完備的標準規(guī)范體系。
而在雷力明看來，基于民用航空領域對新材料、新工藝技術的安全符合性及經濟性要求，增材制造技術還存在以下挑戰(zhàn)。

尚未形成面向增材制造的設計方法。與傳統(tǒng)制造相比，盡管金屬增材制造技術給復雜金屬零件的制造帶來了革命性的影響，但由于增材制造技術工藝特點與傳統(tǒng)工藝具有本質不同，設計人員對增材制造工藝技術特點認識的局限性限制了零部件在結構、形狀、尺寸、功能、重量等多維度的優(yōu)化設計，使得增材制造的技術優(yōu)勢難以充分發(fā)揮。目前在航空發(fā)動機應用領域，缺少從應用需求出發(fā)、擺脫傳統(tǒng)設計進行的面向增材制造的原創(chuàng)設計，尚未形成面向增材制造的設計方法。

為突破這一局限，增材制造設計及制造應當加強協(xié)同，在已開展增材制造零件試制的基礎上，打破傳統(tǒng)制造技術造成的概念壁壘，嘗試進行全新設計。以民用航空中典型零件為載體，逐步基于增材制造工藝特點優(yōu)化設計方法，兼顧尺寸精度限制、結構形式對工藝難度的影響、力學性能各向異性特點等，利用三維模型設計及仿真技術，最終設計出高可靠性、輕量化、結構功能一體化的零件。

增材制造過程質量監(jiān)控不完善。增材制造成形過程中，熱源、移動熔池與粉末基體的交互作用存在復雜的物理、化學和熱力耦合現象。除復雜的熱過程外，激光功率及定位精度、成形氣氛、飛濺物及煙塵排除等也對零件質量產生重要影響。由此導致了增材制造成形質量過程監(jiān)控難度很大，如何實現有效監(jiān)控是當前面臨的關鍵難點之一。

主流增材制造設備已初步實現熔池監(jiān)控、鋪粉質量監(jiān)控，即可獲取熔池形成及凝固過程、鋪粉質量的具體信息，綜合判斷成形過程是否存在異常，可以輔助推斷零件具體位置的缺陷情況。當前業(yè)內采用的監(jiān)控手段的效果有限，尚未達到充分有效的程度。開發(fā)集光學、熱學、聲學等方法于一體的過程監(jiān)控體系，將是未來發(fā)展的重要方向之一。

增材制造零件批次穩(wěn)定性控制能力不足。增材制造技術具有強工藝相關性的特點，在零件批量生產的批次穩(wěn)定性控制方面仍然存在許多問題。影響增材制造零件批次穩(wěn)定性的因素復雜，主要包括原材料、設備系統(tǒng)、成形工藝、后處理工藝等方面。原材料在化學成分、粒度分布、流動性等方面的變化會對增材制造零件批次間的組織和性能帶來差異，在原材料的性能控制、循環(huán)使用等方面尚未形成行業(yè)內嚴謹統(tǒng)一的規(guī)則，增大了工藝技術風險。設備系統(tǒng)的熱源（如激光束、電子束）定位精度、氣氛控制、機械系統(tǒng)控制對制件的表面粗糙度、尺寸精度及制件成分的穩(wěn)定性有影響。成形工藝和后處理工藝對制件的批次穩(wěn)定性有著決定性的影響，成形工藝參數控制、燒結策略、平均能量密度、粉末層層厚等因素直接影響成形制件各批次的質量，后處理工藝則通過去支撐方法、熱處理溫度、冷速或壓力控制以及表面光整技術影響零件批次生產的穩(wěn)定性。應當從人員、設備、材料、工藝和環(huán)境多方面控制增材制造零件批次穩(wěn)定性，推動增材制造技術朝著智能化、自動化與集成化的方向發(fā)展。