一文洞悉國內(nèi)航空發(fā)動機(jī)葉輪葉片3D打印進(jìn)展到哪里了？
魔猴君 行業(yè)資訊 1650天前
發(fā)動機(jī)葉片是一類典型的自由曲面零件，加工這類零件時都有一個特點(diǎn)：薄，加工時易變形，并且材質(zhì)通常為不銹鋼、蒙乃爾合金、INCONEL、鈦和鎳為基礎(chǔ)的難加工合金材料，更增添了加工的困難度。
還有一種加工方式是葉片和整體葉盤的整體式加工，國際上，ACAM-亞琛增材制造中心的研發(fā)成員，來自亞琛工業(yè)大學(xué)數(shù)字化增材生產(chǎn)DAP的渦輪機(jī)械專家與Fraunhofer弗勞恩霍夫生產(chǎn)技術(shù)研究所IPT合作一體化葉盤由鎳基超級合金IN 718制成，研究人員成功地為葉盤開發(fā)了LPBF制造工藝，結(jié)果，他們以接近最終形狀的輪廓制造了葉盤，尤其是葉片輪廓，從而大大減少了要去除的材料。
本期，3D科學(xué)谷與大家一起來領(lǐng)略，發(fā)動機(jī)葉片與葉輪，國內(nèi)發(fā)展的最新情況。
整體葉盤。來源：ACAM亞琛增材制造中心
3D打印悄悄改變的葉片世界
l 中國航發(fā)商用航空發(fā)動機(jī)
- 帶胞元結(jié)構(gòu)的靜子導(dǎo)向葉片的增材制造
根據(jù)中國航發(fā)商用航空發(fā)動機(jī)的專利CN209569034U，中國航發(fā)商用航空發(fā)動機(jī)開發(fā)了兩端分別設(shè)置有外環(huán)安裝邊的靜子導(dǎo)向葉片，外環(huán)安裝邊的設(shè)計包括胞元結(jié)構(gòu)的填充材料，新型靜子導(dǎo)向葉片及包括其的航空發(fā)動機(jī)通過安裝邊本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，取消了襯墊結(jié)構(gòu)，達(dá)到同樣或更優(yōu)減少微動磨損和減少氣動損失的目的(不改變其它零件結(jié)構(gòu))。
安裝邊的內(nèi)部熱膨脹采用胞元結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠等效襯墊結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)。但采用間隙配合，在冷態(tài)易于安裝，工作溫度下膨脹壓緊。通過在安裝邊胞元結(jié)構(gòu)內(nèi)部填充合適的熱膨脹系數(shù)更大的材料，能夠?qū)崿F(xiàn)熱膨脹變形能夠達(dá)到預(yù)期效果，以及應(yīng)力水平在可控范圍內(nèi)。
- 抗沖擊增強(qiáng)型渦輪發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片
基于增材制造可以多種材料融合、內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式設(shè)計靈活的特點(diǎn)，可以在最大限度的減輕葉片重量的前提下，通過葉片前緣加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，有效提高葉片的抗沖擊能力。根據(jù)中國航發(fā)商用航空發(fā)動機(jī)的專利CN105604978B，中國航發(fā)商用航空發(fā)動機(jī)開發(fā)了抗沖擊增強(qiáng)型渦輪發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片，包括葉片本體和前緣增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。
葉片本體和前緣增強(qiáng)結(jié)構(gòu)是由增材制造工藝一體成型的一體件，葉片本體為金屬葉片，前緣增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的材料采用高強(qiáng)金屬材料。其中，前緣增強(qiáng)結(jié)構(gòu)包括在葉片本體的前緣側(cè)沿整個縱向長度方向向外擴(kuò)展的彈性的層狀結(jié)構(gòu)，前緣增強(qiáng)結(jié)構(gòu)和金屬葉片的前緣之間采用對金屬葉片的材料和前緣增強(qiáng)結(jié)構(gòu)都具有親和性的中間材料進(jìn)行過渡。
值得一提的是，國際上GE航空旗下的Avio Aero已經(jīng)在意大利的Cameri工廠擴(kuò)大GE9X發(fā)動機(jī)渦輪葉片的3D打印生產(chǎn)能力，該工廠已安裝了35臺電子束熔融（EBM）金屬3D打印設(shè)備，預(yù)計2022年至2023年將在此生產(chǎn)約6萬個葉片。
視頻：GE9X發(fā)動機(jī)
l 中國航發(fā)北京航空材料研究院
- 整體葉盤
根據(jù)中國航發(fā)北京航空材料研究院的專利CN107138924A，目前國內(nèi)外雙金屬雙性能鈦合金整體葉盤制造方法有線性摩擦焊、擴(kuò)散焊、熱等靜壓擴(kuò)散焊或送粉式激光增材制造方法。其中，線性摩擦焊工藝對設(shè)備的依賴程度很大，焊接的效果、精度很大程度上取決于設(shè)備的能力，且焊接工裝復(fù)雜，成本高。擴(kuò)散焊方法面臨加壓困難、接頭一致性控制及無損檢測等技術(shù)難題，且整體葉盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需采用特殊的加壓手段，工藝實現(xiàn)起來技術(shù)難度大。熱等靜壓擴(kuò)散焊技術(shù)成熟度相對較低，需解決可靠封焊或包套，需采取特殊工藝措施確保熱等靜壓過程的可靠實施。另外，由于擴(kuò)散焊時結(jié)構(gòu)需整體經(jīng)歷焊接熱循環(huán)過程，還需解決焊接熱循環(huán)與材料的熱處理制度匹配問題，避免熱循環(huán)可能對基體材料造成的不良影響。
中國航發(fā)北京航空材料研究院開發(fā)了一種雙金屬雙性能鈦合金整體葉盤制造方法，首先在輪盤鍛件基礎(chǔ)上采用電子束熔絲沉積增材制造方法制造出不同材料的鈦合金葉片毛坯；然后采用機(jī)械加工或電解加工至葉片設(shè)計尺寸，最終實現(xiàn)雙金屬雙性能鈦合金整體葉盤的制造。這種方法具有制造成本低、周期短、冶金質(zhì)量高的特點(diǎn)。葉片和輪盤采用不同的材料制造可以充分發(fā)揮各自力學(xué)性能優(yōu)勢，滿足整體葉盤對輪盤高強(qiáng)度、高應(yīng)變疲勞性能的要求和葉片對高應(yīng)力疲勞和持久性能的要求，從而實現(xiàn)整體葉盤在更高溫度條件下服役或代替高溫合金整體葉盤實現(xiàn)減重的目的。
這與國際上ACAM亞琛增材制造中心的跨學(xué)科團(tuán)隊開發(fā)的整體葉盤所使用的技術(shù)不同，ACAM為葉盤開發(fā)了LPBF-基于粉末床的增材制造工藝，此外，他們應(yīng)用了點(diǎn)陣晶格結(jié)構(gòu)來支撐構(gòu)建過程中的部件，使得后期需要去除的材料顯著減少，并且避免了銑削過程中的振動。那些點(diǎn)陣晶格結(jié)構(gòu)由于密度低而可以不費(fèi)力地去除。
國內(nèi)與國際這兩種曲徑通幽的思路為增材制造整體葉盤鋪墊了一個持續(xù)探索的路徑。
l 南方科技大學(xué)
- 航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片再制造
根據(jù)南方科技大學(xué)的專利CN106874550A，南方科技大學(xué)開發(fā)了基于增材設(shè)計的航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片再制造方法，在不改變航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片的氣動外形和功能特性的前提下，采用亞表面細(xì)網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，引入球面中空單元，通過多個球面中空單元在航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片的內(nèi)部形成滿足結(jié)構(gòu)完整性要求的球面狀中空網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最后使用增材制造技術(shù)完成再制造。這種方法可以減輕航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片的自身重量，解決航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片根部應(yīng)力集中的問題，同時增材制造工藝流程簡單，制造周期更短，成本更低。南方科技大學(xué)改變了傳統(tǒng)擴(kuò)散連接焊制作工藝復(fù)雜操作困難的現(xiàn)狀，充分發(fā)揮增材設(shè)計制造在航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片再制造中的作用。
最后，值得重視的是正如魔猴網(wǎng)在《3D打印與工業(yè)制造》一書所提到的，“3D 打印并非是一座孤島，而必須與其他傳統(tǒng)制造工藝相融合，才能成為創(chuàng)造制造業(yè)附加值的“利器”。在工藝融合方面，可以借鑒的經(jīng)驗包括GF加工方案提供的廣泛的產(chǎn)品組合，從電加工(EDM)、銑床、激光紋理加工、增材制造等制造技術(shù)組合提供一站式的解決方案，從而提供生產(chǎn)的靈活性，降低復(fù)雜性，降低總體成本（TCO）。另外一家雷尼紹集成了完整的工藝鏈解決方案，還包括其獨(dú)具特色的機(jī)內(nèi)測頭測量、對刀和Equator比對測量等等， 這些技術(shù)必將提升工廠的自動化水平，讓制造企業(yè)當(dāng)下即可擁有滿足“未來工廠”要求的高效精密制造能力。
葉片內(nèi)部
葉輪葉片是高附加值的產(chǎn)品，除了硬件的融合，誠然，突破傳統(tǒng)的設(shè)計思路與制造方式，需要企業(yè)具有自我超越的精神，仿真與設(shè)計將發(fā)揮越來越重要的主導(dǎo)性作用引導(dǎo)制造界走向正向設(shè)計之路。
西門子3D打印的燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片
真正理解了3D打印的價值后，我們發(fā)現(xiàn)國內(nèi)企業(yè)對待這一技術(shù)的態(tài)度已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化。值得欣喜的是國內(nèi)這些企業(yè)和研究結(jié)構(gòu)已經(jīng)清晰的看到3D打印重塑價值鏈產(chǎn)業(yè)鏈的顛覆潛力，相信在國際和國內(nèi)硬件與軟件解決方案各種技術(shù)的充分融合交互下，我國的制造將開辟出一條獨(dú)具特色的發(fā)展之路，為人類社會造福。
