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金屬材料激光增材制造技術(shù)及在航空發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用

2016-2-3 來源：中航商用航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司作者：劉業(yè)勝韓品連胡壽豐柴象海曹源

隨著增材制造技術(shù)的不斷發(fā)展及技術(shù)的不斷突破，研制零件的力學(xué)性能、疲勞性能等不斷提高，其在工業(yè)領(lǐng)域，特別是航空航天領(lǐng)域必將具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

金屬材料增材制造技術(shù)及其特點

金屬材料增材制造技術(shù)，又稱3D 打印技術(shù)、激光快速成型技術(shù)，主要以金屬粉末（尺寸小于 1mm 的金屬顆粒群）、顆?；蚪饘俳z材為原料，通過 CAD 模型預(yù)分層處理，采用高功率激光束熔化堆積生長（“增材制造” ），直接從 CAD 模型一步完成高性能構(gòu)件的“近終成形”。金屬材料增材制造技術(shù)，可分為激光直接化制造技術(shù)（Laser Melting Deposition, LMD）和選擇性激光熔化技術(shù)（Select Laser Melting，SLM）。與傳統(tǒng)的金屬零件加工技術(shù)相比，金屬材料增材制造技術(shù)有著無法比擬的優(yōu)點，具體如下：

（1）零件室溫綜合力學(xué)性能優(yōu)異；

（2）復(fù)雜零件制造工藝流程較傳統(tǒng)工藝大大縮短；

（3）無模具快速自由成型，制造周期短，小批量零件生產(chǎn)成本低；

（4）零件近凈成型，機(jī)加余量小，材料利用率高；

（5）可實現(xiàn)多種材料任意復(fù)合制造；

（6）激光束能量密度高，可實現(xiàn)傳統(tǒng)難加工材料如 TC4、Inconel7117-4PH、38CrMnSiA 等的成型。金屬材料增材制造技術(shù)是一門融合了計算機(jī)軟件、材料、機(jī)械、控制、網(wǎng)絡(luò)信息等多學(xué)科知識的系統(tǒng)性、綜合性技術(shù)。采用離散化手段逐點或逐層 “堆積”成型原理，依據(jù)產(chǎn)品三維 CAD 模型，快速“打印” 出產(chǎn)品零件，徹底改變了傳統(tǒng)金屬零件，特別是高性能難加工、構(gòu)型復(fù)雜等金屬零件的加工模式，在航空航天等裝備預(yù)研與生產(chǎn)中具有廣闊的應(yīng)用前景，成為當(dāng)前材料制備科學(xué)和先進(jìn)制造技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域國際前沿研究和競爭熱點之一。

金屬材料增材制造基本原理

1　LMD 技術(shù)基本原理

LMD 技術(shù)作為增材制造技術(shù)的一種，是通過快速成型（Rapid Prototyping，RP）技術(shù)和激光熔覆技術(shù)有機(jī)結(jié)合，以金屬粉末為加工原料，采用高能密度激光束將噴灑在金屬基板上的粉末逐層熔覆堆積，從而形成金屬零件的制造技術(shù)。整個LMD 系統(tǒng)包括激光器、激光制冷機(jī)組、激光光路系統(tǒng)、激光加工機(jī)床、激光熔化沉積腔、送粉系統(tǒng)及工藝監(jiān)控系統(tǒng)等。

LMD 快速成型技術(shù)的基本原理為：首先，利用切片技術(shù)將連續(xù)的三維 CAD 數(shù)模離散成具有一定層厚及順序的分層切片；第二，提取每一層切片所產(chǎn)生的輪廓并根據(jù)切片輪廓設(shè)計合理的激光器掃描路徑、激光掃描速度、激光強(qiáng)度等，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的計算機(jī)數(shù)字控制程序；第三，將激光溶化沉積腔抽真空，并充入一定壓力的惰性保護(hù)氣體，防止粉末熔化時被氧化；第四，計算機(jī)控制送粉系統(tǒng)向工作臺上的基板噴粉，同時激光器在計算機(jī)指令控制下，按照預(yù)先設(shè)置的掃描程序進(jìn)行掃描，溶化噴灑出來的粉末，熔覆生成與這一層形狀、尺寸一致的熔覆層；最后，激光陣鏡、同軸送粉噴嘴等整體上移（或工作臺下移）一個切片厚度并重復(fù)上述過程，逐層熔覆堆積直到形成 CAD 模型所設(shè)計的形狀，加工出所需的金屬零件。

2　SLM 技術(shù)基本原理

SLM 技術(shù)作為增材制造技術(shù)的另外一種實施方式，由粉床選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù) （SLS）發(fā)展而來，以金屬粉末為加工原料，采用高能密度激光束將鋪灑在金屬基板上的粉末逐層熔覆堆積，從而形成金屬零件的制造技術(shù)。整個 SLM 設(shè)備包括激光器、激光陣鏡、粉末碾輪、粉末儲存室、零件成型室等。

SLM 快速成型技術(shù)的基本原理為：首先，利用切片技術(shù)將連續(xù)的三維 CAD 數(shù)模離散成具有一定層厚及順序的分層切片；第二，提取每一層切片所產(chǎn)生的輪廓并根據(jù)切片輪廓設(shè)計合理的激光器掃描路徑、激光掃描速度、激光強(qiáng)度等，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的計算機(jī)數(shù)字控制程序；第三，將激光溶化沉積腔抽真空，并充入一定壓力的惰性保護(hù)氣體，防止粉末熔化時被氧化；第四，計算機(jī)控制可升降系統(tǒng)上升，粉末碾輪將粉末從粉末儲存室推送到零件成型室工作臺上的基板，同時激光器在計算機(jī)指令控制下，按照預(yù)先設(shè)置的掃描程序進(jìn)行掃描，溶化鋪灑在基板上的粉末，熔覆生成與這一層形狀、尺寸一致的熔覆層；最后，粉末儲存室上移而零件成型室下移一個切片厚度并重復(fù)上述過程，逐層熔覆堆積直到形成 CAD模型所設(shè)計的零件。

金屬材料增材制造發(fā)展現(xiàn)狀

1　LMD 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1　LMD 技術(shù)國外發(fā)展現(xiàn)狀

增材制造技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了 3 個階段，1892~1988 年的技術(shù)孕育期、1988 年開始的快速原型技術(shù)及 20世紀(jì) 90 年代初期以來的直接增材制造。1979 年，UTRC 提出激光立體成形技術(shù)概念并制作出航空發(fā)動機(jī)渦輪盤模擬件1994 年起，Rolls-Royce探索航空發(fā)動機(jī)零件激光成形，另外英國利物浦大學(xué)和美國密西根大學(xué)、加拿大國家研究委員會集成制造技術(shù)研究所、瑞士洛桑理工學(xué)院、美國Sandia 國家實驗室、美國 Los-Alamos國家實驗室、美國 Aeromet 公司、美國賓州大學(xué)、英國伯明翰大學(xué)等都相繼開展研究。由于LMD 同軸送粉效率高，材料致密性好，因此，越來越多的用于大型零件的增材制造及零件修復(fù)工作。

國外有關(guān)大型零件增材制造技術(shù)的研究主要集中在美國。

1995~2005 年間，在美國國防部先進(jìn)研究計劃署及海軍研究辦公室等部門的巨額資助下，美國約翰哈普金斯大學(xué)、賓夕法尼亞州立大學(xué)及 MTS公司等對飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形技術(shù)進(jìn)行了大量研究并取得重大進(jìn)展，在此基礎(chǔ)上，1998 年由MTS 公司獨資成立了專門從事飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形制造技術(shù)研發(fā)和工程化應(yīng)用的 AeroMet公司，與波音、洛克希德·馬丁及諾斯羅普·格魯曼等美國三大軍用飛機(jī)制造商合作，在美國空軍“鍛造計劃” （Air Force s Forging Initiative）、陸軍制造技術(shù)計劃（Army’s Mantech rogram）、國防部“軍民兩用科技計劃” （Dual Use Science and Technology Program）等資助下，致力于飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形技術(shù)研究及其在飛機(jī)上的應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究。2000 年 9 月在波音和洛克希德·馬丁公司完成了對激光直接成形鈦合金全尺寸飛機(jī)機(jī)翼次承力結(jié)構(gòu)件研究，構(gòu)件靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度達(dá)到飛機(jī)設(shè)計要求；2001 年為波音公司 F/A-18E/F 艦載聯(lián)合殲擊 / 攻擊機(jī)驗證機(jī)小批量試制了發(fā)動機(jī)艙推力拉梁、機(jī)翼轉(zhuǎn)動折疊接頭、翼梁、帶筋壁板等飛機(jī)鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件，其中F/A-l8E/F 翼根吊環(huán)滿足疲勞壽命譜4 倍要求，隨后靜力加載到 225% 也不破壞； 2002 年實現(xiàn)激光快速成形鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件在 F/A-18 驗證機(jī)上的裝機(jī)應(yīng)用。此外，美國還將應(yīng)用于 F-22 接頭的制造，試驗結(jié)果表明其疲勞壽命高出壽命譜的兩倍。

在 LMD 技術(shù)取得一定突破的時候，國外還將該技術(shù)廣泛用于損傷零件的修復(fù)，包括飛機(jī)零部件腐蝕零件、航空發(fā)動機(jī)磨損等零件的修復(fù)。美國 AeroMet 公司采用激光成形技術(shù)完成了 F15 戰(zhàn)斗機(jī)中機(jī)翼梁的檢修；美國 Optomec Design 公司，采用激光成形技術(shù)進(jìn)行了 T700美國海軍飛機(jī)發(fā)動機(jī)零件的磨損修復(fù)；瑞士洛桑理工學(xué)院采用激光成形技術(shù)修復(fù)單晶渦輪葉片。

1.2　LMD 技術(shù)國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國在金屬材料增材制造領(lǐng)域研究起步較早，技術(shù)研究及應(yīng)用方面具有良好的基礎(chǔ)，特別是在國家自然科學(xué)基金“重點項目” 、國家 “973”項目、國家“863” 等重要研究計劃重點支持下，增材制造技術(shù)得以快速發(fā)展。整個研究工作主要集中于北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、北京有色金屬研究總院、華中科技大學(xué)、清華大學(xué)等單位。其中在 LMD 技術(shù)領(lǐng)域上主要以北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等少數(shù)幾家單位。

在“十五”期間，北京航空航天大學(xué)突破了飛機(jī)鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件激光快速成形工藝及應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)件疲勞、斷裂韌性等主要力學(xué)性能達(dá)到鈦合金模鍛件水平，2005年成功實現(xiàn)激光快速成形 TA15 鈦合金飛機(jī)角盒、TC4 鈦合金飛機(jī)座椅支座及腹鰭接頭等 4 種飛機(jī)鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件（如圖 1 所示）在 3 種飛機(jī)上的裝機(jī)應(yīng)用。

圖1　TC4鈦合金座椅上下支座（上）和TA15腹鰭接頭（下）零件實物照片

“十一五”期間，北京航空航天大學(xué)在飛機(jī)鈦合金大型整體主承力結(jié)構(gòu)件激光快速成形工藝研究、工程化成套裝備研發(fā)與裝機(jī)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)等方面取得了突破性進(jìn)展，提出了大型金屬構(gòu)件激光直接成形過程 “內(nèi)應(yīng)力離散控制” 新方法，初步突破大型金屬構(gòu)件激光快速成形過程零件翹曲變形與開裂 “瓶頸難題” 突破激光快速成形鈦合金大型結(jié)構(gòu)件內(nèi)部缺陷和內(nèi)部質(zhì)量控制及其無損檢驗關(guān)鍵技術(shù)，飛機(jī)構(gòu)件綜合力學(xué)性能達(dá)到或超過鈦合金模鍛件，例如，激光快速成形 TA15 鈦合金缺口疲勞極限超過鈦合金模鍛件 32~53%、高溫持久壽命較模鍛件提高 4 倍（500℃ /480MPa 持久壽命由鍛件不足 50h 提高到激光成形件230h 以上），特別是經(jīng)后續(xù)特種熱處理新工藝獲得“特種雙態(tài)組織”（圖2 所示）后，其綜合力學(xué)性能進(jìn)一步顯著提高，疲勞力紋擴(kuò)展速率降低一個數(shù)量級以上（圖 3）。

圖2　TA15鈦合金特種熱處理“特種雙態(tài)顯微組織

圖3　特種熱處理對疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響

此外激光快速成形出 TA15、TC4、TC21、TC18、TC2 等鈦合金先進(jìn)飛機(jī)大型整體主承力關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件、A-100 等超高強(qiáng)度鋼起落架等飛機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件、TC11、TC17、Ti60 等鈦合金整體葉盤等航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵部件并在飛機(jī)研制和生產(chǎn)中得到成功應(yīng)用。

西北工業(yè)大學(xué)自1995 年開始，在國內(nèi)首先創(chuàng)造性地提出以獲得極高力學(xué)性能為目標(biāo)的金屬增材成形技術(shù)構(gòu)思，賦予“激光立體成形” 之名，依托凝固技術(shù)國家重點實驗室開展了系統(tǒng)的研究工作，建立起了包含材料、工藝和裝備技術(shù)的完整的技術(shù)體系。經(jīng)過近 20 年的研究，針對大型鈦合金構(gòu)件的激光立體成形，解決了大型構(gòu)件變形控制、幾何尺寸控制、冶金質(zhì)量控制、系統(tǒng)裝備等方面的一系列難題，并試制成功 C919 大飛機(jī)翼肋 TC4 上、下緣條構(gòu)件，該類零件尺寸達(dá) 450mm×350mm×3000mm（圖 4），成形后長時間放置后的最大變形量小于1mm，靜載力學(xué)性能的穩(wěn)定性優(yōu)于1%，疲勞性能也優(yōu)于同類鍛件的性能。此外，在 LMD 技術(shù)零件修復(fù)方面也取得了重大進(jìn)展。TC4 激光修復(fù)試樣在低應(yīng)變區(qū)的疲勞壽命高于鍛件，在高應(yīng)變區(qū)低于鍛件，經(jīng)過噴丸處理后及匹配修復(fù)后，高應(yīng)變區(qū)疲勞壽命已非常接近鍛件；圖 5所示為航空發(fā)動機(jī)軸承后機(jī)匣激光修復(fù)，通過激光修復(fù)軸孔徑向缺陷，成形前安裝邊，恢復(fù)零件設(shè)計結(jié)構(gòu)及尺寸，為該發(fā)動機(jī)首次裝機(jī)試車提供合格零件；此外，還成功的應(yīng)用于鋁合金導(dǎo)向葉片、不銹鋼機(jī)匣、鈦合金壓氣機(jī)靜子葉片、鎳基合金高壓一級渦輪葉片等修復(fù)。

圖4　C919飛機(jī)中央翼緣條

圖5　軸承后機(jī)匣激光修復(fù)

2　SLM 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1　SLM 技術(shù)國外發(fā)展現(xiàn)狀

SLM 技術(shù)由 SLS 技術(shù)發(fā)展而來，技術(shù)較為成熟且已研制出了商用的設(shè)備。目前，對 SLM 技術(shù)的研究主要有德國、日本、比利時、美國等國家，并研制出了可商用的設(shè)備，如美國的 PHENIX 公司；德國的TRUMPF、EOS、MCP 等公司、日本的 MATSUUR 公司等。

1995 年德國 Fraunhofer 研究所首次提出 SLM 增材制造技術(shù)，經(jīng)過近 7 年的技術(shù)研究，于 2002 年成功利用 SLM 工藝制造出了組織致密、成形精度高、力學(xué)性能良好的金屬零件，并進(jìn)行了商業(yè)推廣。目前，在德國已有多家公司及單位推出了 SLM設(shè)備。如德國的 ILT 與 TRUMPF 公司合作開發(fā)的 SLM 設(shè)備。該設(shè)備采用半導(dǎo)體泵浦Nd ：YAG250W 盤形激光器，激光波長為 1030nm，光斑大小可變范圍在 20~40μm[18]。德國EOS 公司推出的 EOS M 400 設(shè)備。該設(shè)備采用 Yb-fibre 激光器，功率為1kW，最小光斑為90μm，最大掃描速度可達(dá) 7m/s。德國MCP公司推出的MCP Realizer設(shè)備，該設(shè)備采用固體光纖激光器，功率為 100W，加工層厚度可達(dá)到 30μm[19-20]，可應(yīng)用于金屬片擠壓工具、壓鑄模具、噴射模具和部分金屬的快速成型。

日本Osakada 實驗室研制的SLM 設(shè)備采用Nd ：YAG 激光器，峰值功率3kW，平均功率50W，頻率為50Hz，光斑直徑為0.75mm。SLM鋪層厚度為0.1mm，陣鏡掃描速度3~4m/s。研制的金屬零件致密度為92％；抗拉強(qiáng)度較高，但抗疲勞性能較差。另外，MATSUURA公司制造的SLM設(shè)備采用500W 脈沖式CO ：激光器，激光波長10640nm，能量峰值達(dá)1.5kW，頻率可達(dá)100kHz。激光器光斑大小60μm。

比利時魯汶大學(xué)對SLM 技術(shù)進(jìn)行了深入研究，研發(fā)的SLM 裝備采用300W 連續(xù)波或Q調(diào)Nd-YAG激光器，激光波長為1064nm，振鏡掃描速度最高可達(dá)5000mm/s ；SLM最小鋪粉層厚可達(dá)10μm。

2.2 SLM 技術(shù)國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

在 SLM 技術(shù)研究方面，在國家的項目支撐下，國內(nèi)很多高校都開展了相關(guān)的研究，如華中科技大學(xué)、華南理工大學(xué)等，并取得了可喜的成績。

華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室及武漢光電國家實驗室是國內(nèi)最早從事 SLM 技術(shù)的研究工作的單位之一。隨著 SLM關(guān)鍵技術(shù)的不斷突破及在 SLM 系統(tǒng)制造技術(shù)上不斷創(chuàng)新，目前兩個國家實驗室都已成功研制出了自己的 SLM 設(shè)備，并生產(chǎn)出了高精度的零件。成形與模具技術(shù)國家重點實驗室先后推出了兩套 SLM 設(shè)備：HRPM-I 和 HRPM-IIA。HRPM-I 設(shè)備采用 IPG 連續(xù)模式 200W 激光器，三維動態(tài)聚焦掃描陣鏡，成形空間尺寸為250mm×250mm×250mm ；HRPM-IIA 設(shè)備采用 IPG 連續(xù)模式500W 激光器，三維動態(tài)聚焦掃描鏡，成形空間尺寸為 250mm×250mm ×250mm。設(shè)備制造的鎳基高溫合金致密度可達(dá)到99% 以上；最大拉伸強(qiáng)度超過 100MPa，超過同質(zhì)鍛件標(biāo)準(zhǔn)；零件表面粗糙度Ra達(dá)到20μm。另外，還生產(chǎn)出了多孔零件（長136mm×寬20mm×高25mm壁厚0.1mm）、發(fā)動機(jī)葉片、旋流器噴嘴等樣件。武漢光電國家實驗室自主設(shè)計和制造了NRD-SLM-Ⅰ、NRD-SLM-Ⅱ等設(shè)備。其中 NRD-SLM-Ⅰ型設(shè)備成形尺寸范圍：80mm×80mm×60mm ；NRD-SLM-Ⅱ型設(shè)備成形尺寸范圍：320mm×250mm×250。生產(chǎn)的零件最小壁厚可達(dá) 0.13mm，表面粗糙度Ra為5~10μm，尺寸精度為±0.05mm，材料的致密度近乎 100%。利用 SLM技術(shù)，武漢光電國家實驗室成功實現(xiàn)了多種薄壁網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、流道變截面零部件、多層復(fù)合整體葉輪、單葉輪零部件等樣件 3D 打印，如圖 6 所示。華南理工大學(xué)與北京隆源自動化成型設(shè)備有限公司及武漢楚天工業(yè)激光設(shè)備有限公司合作，在國內(nèi)選擇性激光燒結(jié)設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，開發(fā)了一種 SLM 快速成型設(shè)備。該設(shè)備采用了額定功率 200W、平均輸出功率 100W 的半導(dǎo)體泵浦YAG 激光器，通過透鏡組將激光束光斑直徑聚焦到100μm 左右。采用高精度絲桿控制鋪粉，鋪粉厚度控制精確，誤差在±0.01mm 以內(nèi)。采用整體和局部惰性氣體保護(hù)的方法。所用軟件包括 AT6400 電機(jī)控制軟件、Arps2000 掃描路徑生成與優(yōu)化軟件、Afswin240 操作系統(tǒng)軟件等。該設(shè)備的成型空間為80mm×80mm×50mm，制件尺寸精度達(dá)到±0.01mm。表面粗糙度 Ra為30~50μm，相對密度接近100％。

圖6　采用SLM技術(shù)打印的樣件

金屬材料增材制造在航空發(fā)動機(jī)上應(yīng)用及發(fā)展趨勢LMD 和 SLM 技術(shù)具有高柔性化、設(shè)計制造一體化、高度自動化等特點，大大縮短零件的制造周期。材料使用廣泛，可用于鋁基、鐵基、鈷基、鎳基、鈦基、鈮基材料；錸、銥、鉭、鎢等難熔金屬；銅 - 鋁、TiAl 等金屬間化合物；NiTi 等高加工硬化率材料，給傳統(tǒng)的零件加工開辟出了一條嶄新的道路。目前，增材制造技術(shù)已廣泛應(yīng)用于飛機(jī)零部件制造及零件修復(fù)。在飛機(jī)零部件制造上，已完成 F/A-18E/F 艦載聯(lián)合殲擊/攻擊機(jī)驗證機(jī)發(fā)動機(jī)艙推力拉梁、機(jī)翼轉(zhuǎn)動折疊接頭、翼梁、帶筋壁板等，F(xiàn)/A-l8E/F 翼根吊環(huán) F-22 接頭，C919 大飛機(jī)翼肋 TC4 上、下緣條、機(jī)角盒、飛機(jī)座椅支座及腹鰭接頭等試制及部分零件裝機(jī)應(yīng)用。在零件修復(fù)上，成功用于 F15 戰(zhàn)斗機(jī)中機(jī)翼梁的檢修、T700 美國海軍飛機(jī)發(fā)動機(jī)零件的磨損修復(fù)、單晶渦輪葉片修復(fù)、鋁合金導(dǎo)向葉片修復(fù)等。

隨著金屬材料增材制造技術(shù)的不斷發(fā)展和突破，該技術(shù)必將應(yīng)用于零件復(fù)雜程度更高、零件工作環(huán)境更苛刻、可靠性要求更高的航空發(fā)動機(jī)上。目前，世界航空發(fā)動機(jī)壟斷巨頭 GE、PW、RR 等公司都已將目光鎖定在了該技術(shù)上，并增大在增材制造方面的研制投入。GE 公司打出了“給我打印一臺噴氣發(fā)動機(jī)” 的口號并進(jìn)行了相關(guān)的研究工作。GE 公司利用 LMD 技術(shù)對相關(guān)零件試制進(jìn)行了技術(shù)驗證。在復(fù)合材料風(fēng)扇葉片金屬加強(qiáng)邊試制方面，先利用激光立體成形制備金屬加強(qiáng)邊毛坯件后再進(jìn)行機(jī)械加工。整個加強(qiáng)邊長約 101.6mm，壁厚 0.8~1.2mm，最終加工變形僅為 0.12mm，如圖 7 所示。

圖7　金屬包邊

圖8　發(fā)動機(jī)支架結(jié)構(gòu)

圖9　離心式燃油噴嘴

在發(fā)動機(jī)支架結(jié)構(gòu)設(shè)計試制方面，利用該技術(shù)進(jìn)行了減重設(shè)計加工，原零件重約 2033g，最后試制的零件重量僅為 327g，如圖 8 所示。另外，GE 公司還利用增材制造技術(shù)實現(xiàn)了 Leap-X 發(fā)動機(jī)離心式燃油噴嘴的“打印” ，如圖 9 所示，大大節(jié)省了零件的生產(chǎn)成本及周期。該項技術(shù)被評為全球 2013 年十大技術(shù)突破之一，技術(shù)成熟度 TRL>8，并且已經(jīng)通過了 FAA 適航認(rèn)證。據(jù)預(yù)測，截2020 年，GE 公司將利用該技術(shù)生產(chǎn)超過 100000 個零部件。PW 公司也在增材制造技術(shù)方面進(jìn)行了大量的研究。2013年5月,PW 公司的COO Paul Adams 表示，“我們（PW 公司）已經(jīng)在用增材制造技術(shù)精密的構(gòu)建最新的齒輪驅(qū)動商用發(fā)動機(jī)的復(fù)雜零件”，并投資了超過 450 萬美元用于PW 公司增材制造研究中心的技術(shù)研發(fā)。此外，RR 公司也利用該項技術(shù)進(jìn)行了發(fā)動機(jī)零部件的相關(guān)試制，包括機(jī)匣零件、蜂窩結(jié)構(gòu)件、異型管等零件的試制并進(jìn)行了可行性驗證。因此，增材制造技術(shù)在航空發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用之前并未被行業(yè)知曉，并不代表該項技術(shù)不可行，而是在于如 “薄紗”的技術(shù)工藝信息上的封鎖。GE、RR、PW 在該項技術(shù)上的重視程度和其在研發(fā)上的資金投入及其最新產(chǎn)品的應(yīng)用即是最好的證明。

航空發(fā)動機(jī)零件主要以盤類零件和葉片為主。盤類零件雖然結(jié)構(gòu)單一，但零件尺寸較大；葉片尺寸雖然較小，但型面復(fù)雜。傳統(tǒng)的機(jī)械加工工藝實現(xiàn)了盤、葉片類零件的高精加工，但加工的周期長，經(jīng)費高，材料利用率低；且由于機(jī)械加工技術(shù)存在一定的局限性，零件結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計受到了限制。而增材制造技術(shù)可實現(xiàn)不規(guī)則型面（包括外部內(nèi)部的構(gòu)件加工），實現(xiàn)無模具小余量零加工，大大縮短了零件的試制周期，提高了材料的利用率，減少了零件的試制經(jīng)費。此外，增材制造技術(shù)可實現(xiàn)設(shè)計引導(dǎo)制造、功能性優(yōu)先的設(shè)計、最優(yōu)化設(shè)計等，大大提升了零件設(shè)計的自由度；在傳統(tǒng)加工工藝時代被認(rèn)為是必須突破的關(guān)鍵技術(shù)，在現(xiàn)代將會逐漸演變成通用性的加工要求。因此，增材制造技術(shù)可廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)中的空心風(fēng)扇葉片、空心風(fēng)扇輪盤、整體風(fēng)扇葉盤、風(fēng)扇機(jī)匣、增壓級葉片、整體葉盤、壓氣機(jī)機(jī)匣、燃燒室噴嘴、渦輪葉片等零件研制。

結(jié)束語

金屬材料增材制造技術(shù)以金屬粉末等為原料，以激光束作為刀具，通過激光逐層熔化沉積，實現(xiàn)了零件的 “近終成形” 。增材制造技術(shù)實現(xiàn)了零件的無模具制造，具有材料利用率高、機(jī)械加工量小、數(shù)控加工時間短、生產(chǎn)成本低、制造周期短、柔性高效等點，給機(jī)械加工帶來巨大變革，將傳統(tǒng)的“制造引導(dǎo)設(shè)計、制造性優(yōu)先設(shè)計、經(jīng)驗性設(shè)計” 的設(shè)計加工思路引領(lǐng)到全新的 “設(shè)計引導(dǎo)制造、功能性優(yōu)先設(shè)計、最優(yōu)化設(shè)計” 設(shè)計加工領(lǐng)域，給未來的零件設(shè)計加工帶來了更寬廣的明天。隨著增材制造技術(shù)的不斷發(fā)展及技術(shù)的不斷突破，研制零件的力學(xué)性能、疲勞性能等不斷提高，其在工業(yè)領(lǐng)域，特別是航空航天領(lǐng)域必將具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

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