金属增材制造技术在航空发动机领域的应用

李金峰

摘 要：金属增材技术包含同步送丝高能束熔覆技术、粉末床成形技术两种，通过该技术能够快速将复杂的金属构件成形，同时还能够保障构件的质量。因此，金属增材制造技术在航空领域应用较广，提高发动机的实际性能。本文基于金属增材制造技术的特征，分析金属增材制造技术在航空发动机领域的应用。

关键词：金属增材制造技术 航空 发动机

前言

航空业对于经济以及国防具有重要的作用，更是国家实力的标志之一。随着科技的发展，航空需要满足长航时、长航程、高空以及高速的要求，因此需要将金属增材制造技术应用到发动机的设计、制造之中，改善发动机性能，促进我国航空业的快速、稳定发展。

1、金属增材制造技术的特征

金属增材技术，包括激光立体成形技术（LSF）为主的同步送丝高能束熔覆技术，和以选区激光融化技术（SLM）为主的粉末床成形技术两种。LSF技术能够高效率的制造锻件、力学性能相对复杂的高性能构件，同时其具体的尺寸会跟随设备的运动幅面进行变化。LSF技术具有同步送进材料的特征，还能对构件进行任意梯度、任意材料复合的制造，便于设计新型、高性能的合金以及构件的修复工作。SLM技术子应用的过程中，更加重视力学性能的优化，但是其具体的成形的实际尺寸较小，因此只能用于单种材料的成形。

目前，已经成熟的设备通常小于300毫米，SLM技术的效率要远低于LSF技术，但是对于构建的复杂程度没有限制。值得注意的是，LSF技术更加适用于传统的金属加工技术，例如：铸造、锻造中的减材或者等材技术相互结合，发挥各自技术的长处，从而形成高效率、高性能、低成本的新技术。金属增材制造技术，通常采用锻造合金或者传统的合金，其热处理制度也与之相对应，但实质上，金属增材技术与锻造、铸造技术存在本质的区别，因此影响了金属构件的实际性能。

2、金属增材制造技术在航空发动机领域的应用

提高航空发动机的实际性能，需要增加结构、零件的复杂程度，因此传统的制造方式很难满足此项要求。随着金属增材制造技术的发展与成熟，已经广泛的应用到航空发动机的零件制造中，然而我国在金属增材制造行业处于起步阶段，依然具有较大的进步空间。利用金属增材制造技术，GE公司研发了发动机中高温部件。2004年，GE公司与斯奈克玛公司之间展开合作，并研发出燃油喷射部件，制造出首台燃油喷嘴，将多种部件进行加工、铸造，然后组装结合成为最终的设备，其成本较高。采用金属增材制造技术，GE公司将多种部件焊接为一体，再用合理的热处理方式，提高材料的实际性能，避免在成产的过程中发生裂纹、变形的现象，延长燃油系统的使用寿命，降低研制成本。预计2020年时，通过50台至100台机械，能够达到每年生产四万个燃油喷嘴，保障每个月能够满足175台航空发动机的需求。

就我国而言，背景航空航天大学、西北工业大学是研究以及应用金属增材技术制造技术的代表。北京航空航天大学重点研究LSF技术，其研制的钛合金构建大量用于我国军用飞机中，促进了我国军用飞机的发展，提高我国航空实力。1995年，西北工业大学开始提出了激光增材制造技术的思想，并开展了20余年的研究工作，从而形成了工艺、材料、制造、应用较为全面的技术体系，其制造的部件，广泛的应用于国内的航空发动机中。除LSF技术之外，SLM技术也是西北工业大学的研究对象，重点研究精密的航空发动机，并取得一定的研究成果。

3、金属增材制造技术在航空发动机领域的需求以及展望

3.1 应用需求

首先，复杂性与尺寸的需求。目前，对于大型以及超大型部件的制造较为困难，且需要较高的成本，成产周期较长。因此基于金属增材制造技术，能够有效的降低成产成本，提高产品的质量，但是需要加强对于大型、超大型部件的设计与成形，促进该项技术的全面发展。其次，精密修复需求。发动机部件的性能，会随着时间的延长而降低，并且修复的难度较大。因此，采用金属增材制造技术，需要不断提高部件的使用寿命，降低检修难度，促进航空也的发展。最后，一体化需求。设计制造一体化与信息系统已经广泛的应用到发动机行业，但是由于工艺水平的限制，会严重影响设计的性能。应用金属增材制造技术，能够促进设计与生产的一体化，接访设计者的思想，优化部件的实际性能。

3.2 未来展望

根据航空行业的发展方向、发动机的特点以及金属增材工艺的应用范围，对金属增材技术在航空发动机领域的未来展望进行分析，具体内容如下：

（1）LSF技术以高导叶片、高涡、钛合金叶片、叶盘为目标，利用先进的制造工艺，研制并开发闭环控制、工艺调整、特征参数、成形工艺、送粉装置、执行机构等，提高单晶叶片、钛合金叶片、整体叶盘的修复技术，兼并大型构建的修复与增材制造。

（2）激光铺粉工艺则会更加重视常规工艺、小批研制、结构复杂的部件研究，通过评定组织性能、闭环过程、控制缺陷、成形参数、激光扫描的特征、铺粉机构、粉末物理特征等内容，展开系统研究与技术合作，从而实现高精度、复杂、小型、小批的零件制造。

（3）由于条件、范围、设备的限制，电子束铺粉技术应时刻掌握新型技术，以引进成套设备、应用成形零件为主导思想，促进金属增材制造技术的发展。

（4）等离子送丝工艺，将会以精密修复各中类型的部件为主要目标，依据现有设备的功能，补充相关技术，重点研究组织性能、工艺验证的评定工作，实现薄壁零件的精密修复。

结语

综上所述，美国GE公司引领金属增材制造技术的发展方向，推动其在航空发动机制造业中的应用，而增材技术在我国起步较晚，部分技术尚未常熟，但发展速度较快，广泛应用于国内的航空发动机中。对于日后的发展而言，金属制造技术应结合实际需求，改善生产、成形工艺，提高部件性能，促进技术与航空业的发展。

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