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航空发动机零件的增材制造
2018-06-04 10:45:19 来源: 作者: 【 】 浏览:217次 评论:0

导读金属材料增材制造技术,又称3D打印技术、激光快速成型技术,由于能够实现高性能复杂结构金属零件的无模具、快速、全致密近净成形,成为应对飞机及航空发动机领域技术挑战的最佳新技术途径。

整体叶盘结构示意图

该技术主要以金属粉末(尺寸小于1mm的金属颗粒群)、颗粒或金属丝材为原料,通过CAD模型预分层处理,采用高功率激光束熔化堆积生长(“增材制造”),直接从CAD模型一步完成高性能构件的“近终成形”。该技术可分为激光选区熔化(SLM)、激光直接沉积(LMD)、电子束选区熔化(SEBM)、电子束熔丝沉积(EBF)和电弧熔丝沉积(WAAM),如图1所示。

先进飞机的设计、材料与制造技术对于国防工业的发展有关键性的作用,先进航空制造技术是体现一个国家科技水平、军事实力和综合国力的重要标志之一。为了提高飞机的战技指标或飞行性能以及经济性、可靠性,先进飞机和发动机越来越多地增加钛合金、高温合金、高强铝合金和超高强度钢等高强度合金的用量,且结构越来越复杂,加工精度要求越来越高,对制造工艺提出了更高的要求。此外,通常高强度合金的热加工和力学性能加工都很困难,飞机及航空发动机中复杂高强度合金构件用量的增加,导致了高强度合金大型复杂整体结构件和精密复杂构件的制造尤为困难,成为制约先进飞机及航空发动机发展的瓶颈之一。

各增材制造技术的特点

结合目前已有的技术成果以及航空发动机零部件的特点,增材制造技术在航空发动机中的应用优势主要如下:

拓宽设计自由度。航空发动机零部件结构复杂,传统制造需要模具加工而来。增材制造技术则跨越造模这个环节,无需刀具、模具及工装卡具,即可将任意复杂形状的设计方案通过计算机图形数据快速加工生成实体产品,并能对产品设计进行不断优化。

减少产品上市时间。通过增材制造技术制造的每件产品都是单独成形,不需要模具,使复杂的设计不再造成额外成本增加;同时与传统制造技术相比,增材制造技术通过摒弃生产线而降低成本。从产品的全过程分析,增材制造技术使一些产品零部件的库存只需要保留电子文档,而无需制造出来存在仓库,一旦有需要,直接制造即可,从而减少库存和物流工作。

降低材料成本、机加工成本。相比一些传统工艺加工的零部件相比,增材制造技术生产出的零部件加工余量小,加工周期短。

适合整体设计制造,提高结构效能和可靠性。如图2所示将发动机转子叶片与轮盘进行整体设计与制造,与传统结构相比,由于省去了榫头、榫槽和锁紧装置,可使发动机重量减轻20%~30%,零件数量减少50%,结构更加简化,可靠性更高。同时,避免了榫头的气流损失,提高了压气机工作效率。

但同时,增材制造技术也有一定的局限性,主要表现在以下几个方面:

工艺制造。增材制造不适于直接制造高精度零件。由于通过增材制造技术制造的零件是一层一层堆积而成,所以每一层都有它的厚度,这就决定了它的表面粗糙度难以企及传统的减材制造方法。同时,由于存在一些难以克服的问题,它很难制造类似轴承、滚珠类的产品。

材料领域。增材制造技术还未形成广泛的工业应用,最主要原因是适用原材料种类有限,许多原材料不能满足设计要求。原材料是用于逐层堆积制作零部件的基础原材料,也是增材制造技术的核心。目前可应用于增材制造的原材料种类较少,大量材料的应用潜能也未开发出来。

适航取证。目前各大航空发动机公司对增材制造的实际应用显得异常审慎。如霍尼韦尔航空航天集团通过增材制造技术生产的零部件仍然只是用于适航取证的测试件,并未投入实际生产中。事实上,在航空制造领域,短时间内增材制造技术还无法完全替代传统的制造工艺。一些企业希望从风险最低的、小的零部件开始,逐步推进,并以最安全的方式进入到生产阶段。对于新技术的应用,提倡循序渐进的开发和使用,无论是原材料、工艺还是系统方面,都要经过严格的验证,在被确认是成熟的且具有长期利用价值后才会取得适航许可,从而确保万无一失。

总之,金属增材制造技术作为一种兼顾精确成形和高性能成形需求的一体化制造技术,已经在航空制造领域显示了广阔和重要的应用前景。但是,相比于传统铸锻等热加工技术和机械加工等冷加工技术,金属增材制造技术的发展历史毕竟仅有近30年,其技术成熟度相比传统技术还有很大差距,在很大程度上制约了金属增材制造技术在航空领域的应用。这也意味着,对于金属增材制造技术,仍有大量的基础和应用研究工作有待开展。

来源:中国航空报

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