增材制造技術(shù)在航空發(fā)動機中的應(yīng)用及發(fā)展

閆 雪，阮雪茜

（中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責(zé)任公司，上海 201108）

閆 雪

博士，現(xiàn)任中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責(zé)任公司材料工藝部增材制造團隊主管工程師。

增材制造（Additive Manufacturing,AM）技術(shù)誕生于20世紀(jì)80年代末，被認為是制造技術(shù)的一次革命性突破。增材制造從三維模型出發(fā)實現(xiàn)零件的直接近凈成形制造，主要優(yōu)勢體現(xiàn)在所制造產(chǎn)品的復(fù)雜程度、生產(chǎn)制造的范圍、生產(chǎn)效率、滿足客戶個性化需求等方面。

目前增材制造技術(shù)及產(chǎn)品在航空航天、汽車、生物醫(yī)療、文化創(chuàng)意等領(lǐng)域得到了初步應(yīng)用。由于增材制造工藝較傳統(tǒng)工藝具有獨特的優(yōu)勢，越來越受到發(fā)動機設(shè)計及制造行業(yè)的重視。2006年5月Rolls-Royce公司發(fā)布的一篇標(biāo)題為“Net-Shape Processing Applied to Aero-Engine Components”[1]報告中指出，增材制造能夠降低原材料成本；減少工裝準(zhǔn)備時間進而減少零件生產(chǎn)時間；實現(xiàn)近凈成形，減少或取消粗加工操作，并減少精加工余量；用于產(chǎn)品修復(fù)，降低產(chǎn)品生命周期的整體成本；使創(chuàng)新的設(shè)計成為可能，如整體化設(shè)計和階梯功能性設(shè)計。2015年2月28日，我國工業(yè)和信息化部公布《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃（2015～2016年）》，根據(jù)計劃，到 2016年初步建立較為完善的增材制造產(chǎn)業(yè)體系，整體技術(shù)水平保持與國際同步，在航空航天等直接制造領(lǐng)域達到國際先進水平，在國際市場上占有較大的市場份額[2]。國內(nèi)外學(xué)者針對航空發(fā)動機行業(yè)做了相關(guān)內(nèi)容的研究[3-12]，在介紹增材制造工藝原理及發(fā)展情況的基礎(chǔ)上，分析了金屬增材制造技術(shù)在發(fā)動機產(chǎn)品中的應(yīng)用。

增材制造的能量源主要有激光（激光束、光纖激光等）、電子束和電弧，增材制造的材料可以分為高分子材料和金屬材料，材料的形式可分為粉末、液體和絲材等。按照成形方式不同，增材制造技術(shù)主要包括光固化立體造型（Stereolithography Apparatus，SLA）、選擇性激光燒結(jié)（Selected Laser Sintering，SLS）、激光直接沉積（Laser Melting Deposition，LMD）、選區(qū)激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）、電子束選區(qū)熔化（Electron Beam Melting，EBM）等（工藝原理見表1）。目前這些工藝方法在航空發(fā)動機零部件的制備過程中均有一定的應(yīng)用與研究。

增材制造技術(shù)在航空發(fā)動機中的應(yīng)用

結(jié)合目前已有的技術(shù)成果以及航空發(fā)動機零部件的特點，增材制造技術(shù)在航空發(fā)動機中的應(yīng)用主要有以下幾方面：（1）成形傳統(tǒng)工藝制造難度大的零件；（2）制備長生產(chǎn)準(zhǔn)備周期零件，通過減少工裝，縮短制造周期，降低制造成本；（3）制備高成本材料零件，提高材料利用率以降低原材料成本；（4）高成本發(fā)動機零件維修；（5）結(jié)合拓撲優(yōu)化實現(xiàn)減重以及提高性能（冷卻性能等）；（6）整體設(shè)計零件，增加產(chǎn)品可靠性；（7）異種材料增材制造；（8）發(fā)動機研制過程中的快速試制響應(yīng)；（9）打印樹脂模型進行發(fā)動機模擬裝配等。

表1 增材制造主要工藝類型

對于航空發(fā)動機研制過程，增材制造技術(shù)的優(yōu)勢在于能夠?qū)崿F(xiàn)更為復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的制造。例如，采用增材制造技術(shù)制備的發(fā)動機渦輪葉片，能夠?qū)崿F(xiàn)十分復(fù)雜的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，這是傳統(tǒng)制造工藝很難實現(xiàn)的。對于發(fā)動機實際零件的制作主要是金屬零件的制備，應(yīng)用包括零件鑄造和金屬零件直接打印以及構(gòu)件修復(fù)。

1 增材制造技術(shù)應(yīng)用于鑄造/型芯、樹脂?？焖俅蛴?/h3>

增材制造技術(shù)顯著增強了鑄造業(yè)的技術(shù)能力，已逐漸成為鑄造業(yè)必不可少的輔助技術(shù)之一。增材制造技術(shù)在鑄造中的應(yīng)用主要集中在砂型、模具制造和鑄件修復(fù)方面。其中快速制造鑄模是增材制造對原始鑄造工藝最好也是應(yīng)用最廣的技術(shù)支撐。有3種快速制作鑄模的增材制造方式[12]：（1）增材制造塑料模型，從而翻制鑄型；（2）增材制造蠟?zāi)?，翻制熔模型殼；?）采用SLS技術(shù)直接制造樹脂砂型。圖1為采用SLS工藝進行熔模鑄造的工藝流程。

比起模具制造，基于SLS的熔模鑄造工藝無需制造蠟?zāi)盒?，縮短了鑄造用熔模的準(zhǔn)備時間，具有速度快、成本低的優(yōu)勢，十分適用于航空發(fā)動機復(fù)雜鑄件研制階段所需進行的反復(fù)鑄造工藝試驗。

2 利用增材制造技術(shù)實現(xiàn)金屬零件直接成形

國外的航空發(fā)動機公司在金屬零件的直接增材制造技術(shù)應(yīng)用方面做了大量研究與嘗試。應(yīng)用于發(fā)動機金屬零件的直接增材制造技術(shù)主要有SLM、LMD和EBM等。

圖1 基于SLS的熔模鑄造工藝流程Fig.1 Investment casting process based on SLS

通用電氣（GE）公司作為全球航空發(fā)動機龍頭公司之一，重點開展航空發(fā)動機零件的選區(qū)激光熔化（SLM）和電子束選區(qū)熔融（EBM）技術(shù)研究。其中以SLM成形的燃油噴嘴進展最為顯著，目前已應(yīng)用于CFM國際公司開發(fā)的LAEP-X發(fā)動機并實現(xiàn)了首飛。相較于采用傳統(tǒng)鍛造+機加工+焊接工藝生產(chǎn)的燃油，采用增材制造技術(shù)制備的燃油噴嘴減少了大量零件的焊接組裝工作，同時設(shè)計了更為復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)提高零部件性能。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，已經(jīng)通過FAA適航認證[13-14]。

TiAl基金屬間化合物具有低密度、高比強度、高熔點和高溫條件下優(yōu)異的抗蠕變性和抗氧化性，被認為是可替代鎳基高溫合金的新型輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料。TiAl基合金大部分采用鑄錠冶金技術(shù)、精密鑄造、熱等靜壓等成形技術(shù)，但是制備過程中會出現(xiàn)粗大枝晶組織或成形率低等問題。采用EBM工藝制備TiAl基合金構(gòu)件可以一次燒結(jié)形狀復(fù)雜的零件，而且能夠避免鑄造及熱等靜壓成形等方法存在的問題。美國NASA、Boeing、歐洲Airbus等機構(gòu)早在2006年起就投入了大量的精力開展了復(fù)雜曲面TiAl基合金構(gòu)件的電子束快速成形技術(shù)研究[15]。意大利航空工業(yè)的Avio公司采用瑞典增材制造領(lǐng)域的Arcam公司所生產(chǎn)的電子束熔化裝備生產(chǎn)了GEnx發(fā)動機的TiAl低壓渦輪葉片，如圖2所示。與激光相比較，電子束的能量更為集中，成形控制系統(tǒng)更靈敏，能量利用率更高，并具有更高的成形效率，尤其是在高熔點金屬的快速成形方面可以填補激光技術(shù)的空白。

圖2 低壓渦輪葉片采用TiAl材料（＜4g/cm3）替代鎳基高溫合金（＞8g/cm3）Fig.2 LPT blade made of TiAl alloy(＜4g/cm3) instead of Ni-based superalloy（＞8g/cm3）

普惠公司依托MTU航空發(fā)動機公司利用SLM技術(shù)直接制備PW1100G-JM齒輪傳動渦扇航空發(fā)動機的鎳基合金管道鏡內(nèi)窺鏡套筒（圖3），除降低了該零件的制造成本，使用增材制造技術(shù)使得設(shè)計師在設(shè)計和制造零部件時擁有更多的靈活性。

圖3 MTU公司采用SLM技術(shù)制造管道鏡套筒Fig.3 MTU testing component made by SLM process

3 大型復(fù)雜構(gòu)件修復(fù)

在整體葉盤修復(fù)技術(shù)方面，德國弗朗恩霍夫協(xié)會與MTU公司合作利用激光修復(fù)技術(shù)修復(fù)鈦合金整體葉盤，經(jīng)測試，修復(fù)部位的高周疲勞性能優(yōu)于原始材料，圖4為MTU公司制定的整體葉盤修復(fù)過程流程圖。2008年以來，英國Rolls-Royce公司與國防部聯(lián)合資助開展整體葉盤的低成本修復(fù)技術(shù)研究，通過引進美國Optomec公司LENS850R設(shè)備和德國Trumpf公司的LMD1005激光直接沉積設(shè)備開展整體葉盤激光修復(fù)基礎(chǔ)研究。通過大量基礎(chǔ)技術(shù)研究工作，國外初步建立起整體葉盤的激光修復(fù)裝備、技術(shù)流程和相應(yīng)數(shù)據(jù)庫，推動了整體葉盤激光修復(fù)技術(shù)的工程化應(yīng)用。國內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)、中航工業(yè)北京航空制造工程研究所、北京航空航天大學(xué)、中科院金屬所均開展了整體葉盤的激光修復(fù)技術(shù)研究工作，并取得了一定的成果。北京航空制造工程研究所采用激光修復(fù)技術(shù)修復(fù)了某鈦合金整體葉輪的加工超差，并成功通過了試車考核。

航空發(fā)動機零件增材制造技術(shù)的關(guān)鍵問題

要實現(xiàn)增材制造技術(shù)在航空發(fā)動機中的工程化應(yīng)用，亟需解決原材料制備、成形工藝過程管控、成形零件質(zhì)量控制、評估以及工程化標(biāo)準(zhǔn)等若干問題。

1 航空發(fā)動機零件增材制造用金屬材料

圖4 MTU公司整體葉盤激光修復(fù)過程流程Fig.4 Laser-cladding repairing process of blisk of MTU

粉末材料是目前最常用的金屬類增材制造用材料。對于金屬增材制造技術(shù)來說，金屬粉末的質(zhì)量顯著地影響著最終產(chǎn)品的質(zhì)量。研究表明，并非所有的金屬粉末都適用于增材制造成形。在相應(yīng)的熱力學(xué)和動力學(xué)規(guī)律作用下，有些粉末的成形易伴隨球化、空隙、裂紋等缺陷[16]。因此，需要通過分析試驗來確定航空發(fā)動機零件材料與各種增材制造技術(shù)的匹配性。由于航空發(fā)動機零部件的特殊工作環(huán)境及性能要求，一般進行增材制造所選用的粉末材料需要專門制備，價格昂貴，導(dǎo)致增材制造零件的材料成本較高，在一定程度上阻礙了增材制造技術(shù)在航空發(fā)動機中的應(yīng)用。目前，國內(nèi)增材制造所選用的粉末材料大多依賴于進口渠道，如何制備出能夠滿足發(fā)動機應(yīng)用要求的低成本粉末材料，已經(jīng)得到國內(nèi)材料行業(yè)及增材制造領(lǐng)域的重視。

另外，目前國內(nèi)還沒有形成成熟的評價方法或標(biāo)準(zhǔn)來判定粉末材料與增材制造工藝的適用性，增材制造用粉末的相關(guān)評價方法及指標(biāo)需要進一步深入的研究與思考。國內(nèi)的金屬粉末材料通常用于粉末冶金工業(yè)，針對粉末冶金工藝的技術(shù)特點，已經(jīng)發(fā)展出了一套比較完善的粉末評價方法及標(biāo)準(zhǔn)，有相對比較完善的指標(biāo)可用來衡量粉體材料的性能，如粒徑、比表面積、粒度分布、粉體密度、流速、松裝密度、孔隙率等。其中粉末的流動性、振實密度等指標(biāo)是衡量粉末冶金用粉末材料的重要指標(biāo)。而增材制造工藝與粉末冶金工藝有明顯的區(qū)別，粉末材料在熱源作用下的冶金變化是極速的，成形過程中粉體材料與熱源直接作用，粉體材料沒有模具的約束以及外部持久壓力的作用[17]。需要綜合考慮粉末制備技術(shù)、增材制造工藝以及航空發(fā)動機零件的性能要求，制定適用于航空發(fā)動機零部件增材制造的粉末材料評判準(zhǔn)則。

2 發(fā)動機用增材制造零件質(zhì)量控制

金屬材料增材制造技術(shù)的難點在于：金屬的熔點高，成形過程涉及到固液相變、表面擴散及熱傳導(dǎo)等問題；激光或電子束的快速加熱和冷卻過程容易引起零件內(nèi)部較大的殘余應(yīng)力。而發(fā)動機零件對制造精度及性能等方面的要求往往高于常規(guī)零件，如尺寸精度、表面粗糙度及機械性能等。目前的增材制造技術(shù)在很多指標(biāo)方面還不能完全滿足發(fā)動機零件的精度及性能需求，需要進行成形后處理或后加工，這在一定程度上阻礙了增材制造技術(shù)的推廣。要實現(xiàn)增材制造零件在發(fā)動機中的應(yīng)用，還需要解決很多關(guān)鍵工藝技術(shù)問題，實現(xiàn)對增材制造制件冶金質(zhì)量及力學(xué)性能的有效控制。

業(yè)界對增材制造過程中的常見缺陷類型及其影響因素和控制方法已經(jīng)做了一定研究[18-22]。增材制造成形過程中，材料的熔化、凝固和冷卻都是在極快的條件下進行的，金屬本身較高的熔點以及在熔融狀態(tài)下的高化學(xué)活性，以致在成形過程中若工藝（功率波動、粉末狀態(tài)、形狀及尺寸和工藝不匹配等）或環(huán)境控制不當(dāng)，容易產(chǎn)生各種各樣的冶金缺陷，如裂紋、氣孔、熔合不良、成分偏析、變形等。其中裂紋是最常見、破壞性最大的一種缺陷[23]，可通過優(yōu)化激光增材制造工藝參數(shù)、成形之前預(yù)熱、成形后緩慢冷卻或熱處理、合理設(shè)計粉末成分等措施來控制裂紋的形成。當(dāng)惰性氣氛加工室中的氧含量得到控制時，激光快速成形一般不會出現(xiàn)裂紋，但可能會出現(xiàn)氣孔和熔合不良等冶金缺陷。氣孔多為規(guī)則的球形或類球形，內(nèi)壁光滑，是空心粉末所包裹的氣體在熔池凝固過程中未能及時溢出所致，通過調(diào)節(jié)激光增材制造工藝參數(shù)，延長熔池存在的時間，使氣泡從熔池中溢出的時間增加，可以有效減少氣孔的數(shù)量。熔合不良缺陷一般呈不規(guī)則狀，主要分布在各熔覆層的層間和道間，合理匹配激光光斑大小、搭接率、Z軸單層行程等關(guān)鍵參數(shù)能有效減少熔合不良缺陷的形成。增材制造層存在熱應(yīng)力、相變應(yīng)力和拘束應(yīng)力[24]，在上述應(yīng)力的綜合作用下可能會導(dǎo)致工件變形甚至開裂，合理控制層厚并在成形前對基板進行預(yù)熱、成形后進行后熱處理，能有效減小基板熱變形和增材制造層的內(nèi)應(yīng)力，從而減小工件的變形。由于增材制造過程影響因素眾多，而且發(fā)動機中選用增材制造技術(shù)的零件大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對于特定零件特定材料的成形過程中的工藝控制方法仍需進行大量模擬及試驗工作，以確保最終零件的質(zhì)量。

3 增材制造零件的熱處理/熱等靜壓工藝

對增材制造零件進行熱處理、熱等靜壓等后處理是當(dāng)前金屬增材制造技術(shù)實現(xiàn)組織結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能提高的主要工藝手段。增材制造的成形材料呈粉末狀，通過激光的逐行逐層掃描、燒結(jié)后，成形零件中會形成大量的孔隙，孔隙的存在將使零件的整體力學(xué)性能下降，嚴(yán)重影響增材制造零件的實際應(yīng)用。通過熱等靜壓（HIP）處理，成形件中的大尺寸閉合氣孔、裂紋得以愈合，小尺寸閉合氣孔、裂紋得到有效的消除，同時晶粒發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象，使得晶粒得到細化，組織致密。內(nèi)部裂紋修復(fù)愈合和再結(jié)晶使得成形件強度和塑性得到恢復(fù)和提升，力學(xué)性能的穩(wěn)定性和可靠性也會得到提高[25-27]。而通過對制件進行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，可以改善不同材料制件的顯微組織、力學(xué)性能和殘余應(yīng)力等[28-30]。結(jié)合材料組織和力學(xué)性能表征，針對不同的增材制造工藝制備的制件，獲取合理的熱處理/熱等靜壓制度，對航空發(fā)動機零件增材制造技術(shù)具有十分重要的意義。

4 增材制造標(biāo)準(zhǔn)工作

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，增材制造技術(shù)已逐漸從實驗室走向?qū)嶋H生產(chǎn)，由于缺乏質(zhì)量控制與應(yīng)用的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，限制了增材制造技術(shù)進入市場化運用。隨著增材制造技術(shù)的日臻成熟，近年來與之相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化工作也日益增加。

國外在增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)工作方面主要以美國汽車工程師協(xié)會（SAE）、美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）為代表。2002年，SAE發(fā)布了第一份增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)AMS 4999《退火Ti-6Al-4V鈦合金激光沉積產(chǎn)品》（2011年升版為AMS 4999A《退火Ti-6Al-4V鈦合金直接沉積產(chǎn)品》），該標(biāo)準(zhǔn)與宇航材料規(guī)范AMS 4998《Ti-6Al-4V鈦合金粉末》推動了美國材料類軍用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范向宇航材料規(guī)范的轉(zhuǎn)化[31]。在鋪粉式增材制造工藝方面，2009年，ASTM頒布了ASTM F2924-12《鋪粉熔覆增材制造Ti6Al4V標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》，同時ASTM和ISO組織分別成立了專門的增材制造技術(shù)委員會ASTM F-42和ISO TC 261，編制涵蓋基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計指南的完整的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)體系和開放的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系。已發(fā)布的材料及工藝標(biāo)準(zhǔn)主要集中在鈦合金材料Ti-6Al-4V，工藝熱源涉及激光和電子束，材料類型涉及粉末和絲材，工藝涵蓋了產(chǎn)品的熱處理及熱等靜壓，制件要求涵蓋了組織性能、內(nèi)部質(zhì)量等具體要求。歐盟支持的SASAM項目發(fā)布的2015增材制造標(biāo)準(zhǔn)化路線圖中提出了增材制造標(biāo)準(zhǔn)化需求模型（圖5）。

目前尚無針對航空發(fā)動機增材制造產(chǎn)品系統(tǒng)的材料工藝及質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)。由于缺乏對原材料表征、成形過程控制及產(chǎn)品認證的統(tǒng)一規(guī)定，已經(jīng)運用于相關(guān)領(lǐng)域的增材制造技術(shù)產(chǎn)品均采用各企業(yè)的技術(shù)條件和規(guī)范，這在一定程度上阻礙了增材制造產(chǎn)品市場化，所以需要迫切開展增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的工作。

結(jié)束語

圖5 增材制造標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)模型Fig.5 Structure model for AM standardization

隨著增材制造技術(shù)的不斷發(fā)展，在航空航天領(lǐng)域的研究與應(yīng)用也越來越廣泛。將增材制造技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動機零部件的制造對于提高發(fā)動機性能、降低制造周期及成本有著很重要的意義。目前的增材制造技術(shù)還存在很多亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)，其中包括原材料、工藝控制、標(biāo)準(zhǔn)等方面。

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