增材制造在航空发动机中的应用研究

梁振兴

摘 要 近年来，增材制造技术发展迅速，成为各国制造业的重点发展方向，本文介绍了增材制造技术在航空发动机中的应用，提出了该技术在航空发动机应用面临的困难，并对其未来的发展进行了展望。

关键词 增材制造;航空发动机

前言

航空发动机被誉为人类工业皇冠上的明珠，作为飞机的心脏，其性能直接影响了飞机的性能和可靠性。对航空发动机高性能的追求导致其结构越发复杂，对整个发动机零部件的制造工艺水平都提出了更高的要求。增材制造技术也称为3D打印技术，是通过CAD设计数据采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除技术，是一种“自下而上”材料累加的制造方法[1]。这种制造技术具备精度高，周期短，能够加工复杂零部件等优势，非常适合用于制造各种形状复杂的航空发动机零部件。近年来，各航空发动机大国都加强了增材制造在发动机上的应用研究，主要集中于金属零部件的直接成型和大型构件的修复。

1 航空发动机的增材制造应用

1.1 金属零件直接成型

国内外的航空发动机公司和研究机构都对增材制造技术应用于金属零件的直接成型做了大量研究工作。GE航空公司作为增材制造领域全球的领导者对增材制造进行了多年的研究。 GE已经开始采用增材制造技术量产新一代的LEAP喷气发动机燃料喷嘴已于2016年开始服役。其最新的发动机GE9X已经实现了T25传感器外壳、热交换器、诱导器、第5阶段低压涡轮叶片、第6阶段叶片和燃烧器搅拌机这几个部件的增材制造。GE在2018年试验的ATP发动机，用12个增材制造部件来替换800多个减材制造零件，增材部件占到了总零件数的35%[2]。另一家美国航空发动机巨头普惠公司也于2018年宣布使用增材制造技术生产的零件，这款使用电子束粉末床熔融工艺加工的同步环支架被安装到PW-1500批产发动机上。普惠旗下一家子公司正在开展增材制造旋转件研究，据报道为整体叶盘。英国的罗罗公司作为航空发动机巨头，也在一直积极进行增材制造技术的研究，已经制造了XWB97K的前轴承叶片，并且将在新一代罗罗Adcance3发动机上大量使用增材制造技术。我国也对增材制造生产零件进行了大量研究，我国西安交通大学利用棘突光固化的空心涡轮叶片制造技术，实现了多种航空发动机空心涡轮叶片的试制，将试验周期从6月缩短至1月，成本从80多万元降低到1万元左右[3]。经过20余年的不懈努力，北京航空航天大学王华明院士团队成功研制具有原创核心技术的世界最大的激光增材制造設备（最大成形尺寸达7m×4m×3.5m），以及世界最大的发动机钛合金加强框。中国航发集团下属的商用发动机公司利用增材制造技术完成了3D打印燃烧室燃油喷嘴等多项技术研究。

1.2 构件的修复

航空发动机零部件价钱昂贵，在使用过程中容易受到外物损伤等，增材制造技术的另一个应用领域就是对航空发发动机零部件的修复，包括涡轮叶片、涡轮盘、外壳和风扇等。增材制造技术可以重建零件缺失部分，将受损零件修复到设计的形状尺寸[4]。据报道，GE公司的研究团队通过混合增材制造设备，修复受损的发动机叶片，修复后的叶片性能得到了提高，整个涡轮的性能得到了提升。法国的增材制造设备公司BeAM生产的机器修复了航空发动机的涡轮部件。德国汉莎航空维修公司，也开始使用增材制造技术来维修新一代的航空发动机零部件。美国Optomec公司利用增材制造技术修复传统焊接工艺无法修复的零件，包括发动机高温合金和钛合金叶片，修复的一级涡轮整体叶盘，顺利通过了考核，符合修理的标准。澳大利亚IMCRC通过研究增材制造来解决金属的损伤问题，尤其是发动机零件在使用过程中出现的腐蚀和应力腐蚀。国内也在增材制造修复航空发动机零部件上做了大量工作，包括机匣和整体叶盘的修复等。

2 航空发动机增材制造技术应用问题

增材制造在航空发动机的应用存在着一些问题。首先是如何提高增材制造零部件的质量，目前增材制造的零件很多不能满足发动机零件精度和性能方面的要求，且容易出现一些增材制造缺陷，导致零件的力学性能不能满足要求。其次就是增材制造的使用成本较高。由于增材制造是小批量，无法进行大规模的量产，因此如何将增材制造的生产效率提高，能够以更低的生产成本生产更大、更为复杂的零部件，是今后需要研究的方向。

3 结束语

随着增材制造技术的不断成熟和发展，增材制造技术将会在航空发动机部件制造和维修中发挥更大的作用。目前增材制造在质量和成本等方面还面临着一些挑战，需要研究人员对该技术继续进行深入的研究，同时研究新一代发动机用复合材料的增材制造技术。

参考文献

[1] 卢秉恒，李涤尘.增材制造（3D打印）技术发展[J].机械制造与自动化，2013，42（4）：1-4.

[2] 朱宏康.美国通用电气公司（GE）增材制造动态[J].中国材料进展，2019，38（4）：410-412

[3] 鲁中良.基于光固化3D打印的空心涡轮叶片快速精密铸造技术[C].中国机械工程学会铸造分会，2016：638.

[4] Dutta B，Froes F H. Additive manufacturing of titanium alloys[J]. Advanced Materials and Processes，2014，172（2）：18.