高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)零件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度要求越來(lái)越高，給傳統(tǒng)的制造工藝帶來(lái)了很大難度。隨著金屬增材制造技術(shù)的日益成熟，不少?lài)?guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造商和零部件供應(yīng)商已經(jīng)將增材制造技術(shù)用于開(kāi)發(fā)商業(yè)化的零部件，不斷擴(kuò)大其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用。在近日舉辦的2021 TCT亞洲峰會(huì)-航空航天論壇上，來(lái)自中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司研究員雷力明分享了《航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域增材制造技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展》。

中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司研究員雷力明

根據(jù)Wohlers Report 2020，全球2019年增材制造產(chǎn)值118.67億美元，僅占制造業(yè)產(chǎn)值的0.0927%。未來(lái)增材制造產(chǎn)品將在航空航天、醫(yī)療、模具、能源等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，預(yù)計(jì)產(chǎn)值可達(dá)到6,400億美元，占制造業(yè)產(chǎn)值的5%以上。2020-2026年之間的航空3D打印材料市場(chǎng)年復(fù)合增長(zhǎng)率超過(guò)18%，其中，航空發(fā)動(dòng)機(jī)年復(fù)合增長(zhǎng)率為20%。

據(jù)雷力明介紹，目前在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，增材制造技術(shù)主要有四個(gè)應(yīng)用方向：直接制造、修復(fù)、快速原型和復(fù)合制造。

增材制造技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用的最新進(jìn)展
● 2020年9月，GE航空公司宣布GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)獲得美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（Federal Aviation Administration, FAA）的認(rèn)證，GE9X是一款巨大的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，單個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)為新型雙引擎波音777X系列飛機(jī)提供約100,000磅推力，是目前世界上最大商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)。增材制造技術(shù)在GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)的制造中發(fā)揮著重要作用，共有304個(gè)3D打印的零件。

LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)通的燃油噴嘴是GE航空公司通過(guò)增材制造生產(chǎn)的第一個(gè)3D打印零部件。GE9X的燃油噴嘴與LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)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(jīng)過(guò)鑄造、機(jī)加工和組裝制成，成本較高。GE航空公司采用增材制造技術(shù)將傳統(tǒng)工藝的20片部件組裝或焊接的結(jié)構(gòu)制造為一個(gè)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(dāng)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(chǎn)生變形和形成微裂紋，實(shí)現(xiàn)了燃油噴射系統(tǒng)壽命提高4倍，質(zhì)量降低25％，研制成本進(jìn)一步降低。每個(gè)GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)有28個(gè)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(wèn)題，同時(shí)還可以減少制造成本，提高使用壽命。

● 在Safran集團(tuán)與SLM Solutions的一個(gè)聯(lián)合項(xiàng)目中，雙方采用選區(qū)激光熔化技術(shù)成型了一款商務(wù)噴氣式飛機(jī)的前起落架組件，這也是全球范圍內(nèi)首次采用SLM技術(shù)進(jìn)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(zhì)為鈦合金，該零件的結(jié)構(gòu)要求非常嚴(yán)格，既需要在樞軸上轉(zhuǎn)動(dòng)，保證起落架能夠自由收放，同時(shí)還需要吸收機(jī)輪的機(jī)械應(yīng)力。針對(duì)于此，SLM? 800擴(kuò)展了垂直方向的成型尺寸，更加適合大型零部件的生產(chǎn)。該設(shè)備不僅運(yùn)用了SLM Solutions四激光技術(shù)，同時(shí)還配置有更多創(chuàng)新功能，諸如擁有專(zhuān)利的風(fēng)場(chǎng)設(shè)計(jì)以及永久過(guò)濾系統(tǒng)，確保了設(shè)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(dòng)機(jī)部件應(yīng)用到其MRO（維護(hù)，修理和大修）業(yè)務(wù)中。兩家公司都在嘗試引入3D打印技術(shù)，以獲得更快、更靈活的維修解決方案。普惠公司的維修專(zhuān)家新加坡航天航空（CAS）也為該項(xiàng)目做出了貢獻(xiàn)。

該3D打印部件將用于普惠公司的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)部件上。兩家公司共同努力，完成并審查了技術(shù)數(shù)據(jù)集，不僅滿(mǎn)足普惠公司的質(zhì)量要求，而且還通過(guò)了航空法規(guī)審查。據(jù)說(shuō)3D打印部件具有“減少傳統(tǒng)制造工藝對(duì)當(dāng)前材料供應(yīng)的依賴(lài)性的額外優(yōu)勢(shì)”。普惠公司認(rèn)為，增材制造可能會(huì)影響整個(gè)MRO部門(mén)。

● 羅爾斯·羅伊斯（Rolls-Royce）公司發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品組合的最新成員是UltraFan。據(jù)報(bào)道，與第一代遄達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，UltraFan發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率提高了25%，具有新的發(fā)動(dòng)機(jī)核心架構(gòu)，該系統(tǒng)的風(fēng)扇直徑為140英寸（約3.6米）。

借助碳鈦風(fēng)扇葉片和復(fù)合材料風(fēng)扇機(jī)匣，新發(fā)動(dòng)機(jī)可將飛機(jī)的重量減輕多達(dá)680公斤。它還配備了新的齒輪設(shè)計(jì)架構(gòu)，可提供高效動(dòng)力，以實(shí)現(xiàn)高推力和高涵道比。羅羅公司計(jì)劃在2022年進(jìn)行一次完整的發(fā)動(dòng)機(jī)地面測(cè)試，并將在不久后進(jìn)行飛行測(cè)試。作為“清潔天空2”和演示樣機(jī)的核心合作伙伴，位于瑞典的GKN公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和制造中間壓氣機(jī)機(jī)匣。盡管大多數(shù)中間壓氣機(jī)機(jī)匣是使用傳統(tǒng)的鑄造技術(shù)制造的，但其中的一些附接零件卻是通過(guò)金屬3D打印制造的。生產(chǎn)過(guò)程還包括基于計(jì)算機(jī)模擬的新型焊接方法，優(yōu)化的排氣系統(tǒng)空氣動(dòng)力學(xué)和聲學(xué)特性以及較短的主動(dòng)風(fēng)道設(shè)計(jì)。

● 2020年8月，霍尼韋爾航空航天公司（Honeywell Aerospace）首個(gè)3D打印的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)部件獲得了FAA的認(rèn)證。據(jù)悉，這個(gè)獲得認(rèn)證的部件（#4/5軸承座）是達(dá)索“獵鷹”20G海上巡邏機(jī)上ATF3-6渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件。該零件已在生產(chǎn)中，并已安裝在一架運(yùn)行中的 “獵鷹”飛機(jī)上，預(yù)計(jì)年底前還將打印出幾十個(gè)零件。

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

民用航空增材產(chǎn)品適航認(rèn)證面臨的挑戰(zhàn)
增材制造零件通過(guò)適航認(rèn)證是實(shí)現(xiàn)民用航空領(lǐng)域工程化應(yīng)用的前提。FAA認(rèn)為航空增材產(chǎn)品認(rèn)證面臨5個(gè)方面的挑戰(zhàn)：1.對(duì)關(guān)鍵工藝參數(shù)及其可接受變化范圍認(rèn)知不足；2.對(duì)成形缺陷和關(guān)鍵失效機(jī)理認(rèn)知不足；3.缺乏設(shè)計(jì)許用值等工業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)支撐；4.缺乏可靠的無(wú)損檢測(cè)（NDI）方法；5.缺乏完備的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。
而在雷力明看來(lái)，基于民用航空領(lǐng)域?qū)π虏牧?、新工藝技術(shù)的安全符合性及經(jīng)濟(jì)性要求，增材制造技術(shù)還存在以下挑戰(zhàn)。

尚未形成面向增材制造的設(shè)計(jì)方法。與傳統(tǒng)制造相比，盡管金屬增材制造技術(shù)給復(fù)雜金屬零件的制造帶來(lái)了革命性的影響，但由于增材制造技術(shù)工藝特點(diǎn)與傳統(tǒng)工藝具有本質(zhì)不同，設(shè)計(jì)人員對(duì)增材制造工藝技術(shù)特點(diǎn)認(rèn)識(shí)的局限性限制了零部件在結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸、功能、重量等多維度的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得增材制造的技術(shù)優(yōu)勢(shì)難以充分發(fā)揮。目前在航空發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，缺少?gòu)膽?yīng)用需求出發(fā)、擺脫傳統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行的面向增材制造的原創(chuàng)設(shè)計(jì)，尚未形成面向增材制造的設(shè)計(jì)方法。

為突破這一局限，增材制造設(shè)計(jì)及制造應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)協(xié)同，在已開(kāi)展增材制造零件試制的基礎(chǔ)上，打破傳統(tǒng)制造技術(shù)造成的概念壁壘，嘗試進(jìn)行全新設(shè)計(jì)。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(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，兼顧尺寸精度限制、結(jié)構(gòu)形式對(duì)工藝難度的影響、力學(xué)性能各向異性特點(diǎn)等，利用三維模型設(shè)計(jì)及仿真技術(shù)，最終設(shè)計(jì)出高可靠性、輕量化、結(jié)構(gòu)功能一體化的零件。

增材制造過(guò)程質(zhì)量監(jiān)控不完善。增材制造成形過(guò)程中，熱源、移動(dòng)熔池與粉末基體的交互作用存在復(fù)雜的物理、化學(xué)和熱力耦合現(xiàn)象。除復(fù)雜的熱過(guò)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(duì)零件質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。由此導(dǎo)致了增材制造成形質(zhì)量過(guò)程監(jiān)控難度很大，如何實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)控是當(dāng)前面臨的關(guān)鍵難點(diǎn)之一。

主流增材制造設(shè)備已初步實(shí)現(xiàn)熔池監(jiān)控、鋪粉質(zhì)量監(jiān)控，即可獲取熔池形成及凝固過(guò)程、鋪粉質(zhì)量的具體信息，綜合判斷成形過(guò)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(dāng)前業(yè)內(nèi)采用的監(jiān)控手段的效果有限，尚未達(dá)到充分有效的程度。開(kāi)發(fā)集光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)等方法于一體的過(guò)程監(jiān)控體系，將是未來(lái)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(shù)具有強(qiáng)工藝相關(guān)性的特點(diǎn)，在零件批量生產(chǎn)的批次穩(wěn)定性控制方面仍然存在許多問(wèn)題。影響增材制造零件批次穩(wěn)定性的因素復(fù)雜，主要包括原材料、設(shè)備系統(tǒng)、成形工藝、后處理工藝等方面。原材料在化學(xué)成分、粒度分布、流動(dòng)性等方面的變化會(huì)對(duì)增材制造零件批次間的組織和性能帶來(lái)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(nèi)嚴(yán)謹(jǐn)統(tǒng)一的規(guī)則，增大了工藝技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)備系統(tǒng)的熱源（如激光束、電子束）定位精度、氣氛控制、機(jī)械系統(tǒng)控制對(duì)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(duì)制件的批次穩(wěn)定性有著決定性的影響，成形工藝參數(shù)控制、燒結(jié)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(zhì)量，后處理工藝則通過(guò)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(shù)影響零件批次生產(chǎn)的穩(wěn)定性。應(yīng)當(dāng)從人員、設(shè)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(dòng)增材制造技術(shù)朝著智能化、自動(dòng)化與集成化的方向發(fā)展。