金屬增材制造技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用

李金峰

摘 要：金屬增材技術(shù)包含同步送絲高能束熔覆技術(shù)、粉末床成形技術(shù)兩種，通過該技術(shù)能夠快速將復(fù)雜的金屬構(gòu)件成形，同時(shí)還能夠保障構(gòu)件的質(zhì)量。因此，金屬增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域應(yīng)用較廣，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際性能。本文基于金屬增材制造技術(shù)的特征，分析金屬增材制造技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：金屬增材制造技術(shù) 航空 發(fā)動(dòng)機(jī)

前言

航空業(yè)對(duì)于經(jīng)濟(jì)以及國防具有重要的作用，更是國家實(shí)力的標(biāo)志之一。隨著科技的發(fā)展，航空需要滿足長航時(shí)、長航程、高空以及高速的要求，因此需要將金屬增材制造技術(shù)應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、制造之中，改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能，促進(jìn)我國航空業(yè)的快速、穩(wěn)定發(fā)展。

1、金屬增材制造技術(shù)的特征

金屬增材技術(shù)，包括激光立體成形技術(shù)（LSF）為主的同步送絲高能束熔覆技術(shù)，和以選區(qū)激光融化技術(shù)（SLM）為主的粉末床成形技術(shù)兩種。LSF技術(shù)能夠高效率的制造鍛件、力學(xué)性能相對(duì)復(fù)雜的高性能構(gòu)件，同時(shí)其具體的尺寸會(huì)跟隨設(shè)備的運(yùn)動(dòng)幅面進(jìn)行變化。LSF技術(shù)具有同步送進(jìn)材料的特征，還能對(duì)構(gòu)件進(jìn)行任意梯度、任意材料復(fù)合的制造，便于設(shè)計(jì)新型、高性能的合金以及構(gòu)件的修復(fù)工作。SLM技術(shù)子應(yīng)用的過程中，更加重視力學(xué)性能的優(yōu)化，但是其具體的成形的實(shí)際尺寸較小，因此只能用于單種材料的成形。

目前，已經(jīng)成熟的設(shè)備通常小于300毫米，SLM技術(shù)的效率要遠(yuǎn)低于LSF技術(shù)，但是對(duì)于構(gòu)建的復(fù)雜程度沒有限制。值得注意的是，LSF技術(shù)更加適用于傳統(tǒng)的金屬加工技術(shù)，例如：鑄造、鍛造中的減材或者等材技術(shù)相互結(jié)合，發(fā)揮各自技術(shù)的長處，從而形成高效率、高性能、低成本的新技術(shù)。金屬增材制造技術(shù)，通常采用鍛造合金或者傳統(tǒng)的合金，其熱處理制度也與之相對(duì)應(yīng)，但實(shí)質(zhì)上，金屬增材技術(shù)與鍛造、鑄造技術(shù)存在本質(zhì)的區(qū)別，因此影響了金屬構(gòu)件的實(shí)際性能。

2、金屬增材制造技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用

提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際性能，需要增加結(jié)構(gòu)、零件的復(fù)雜程度，因此傳統(tǒng)的制造方式很難滿足此項(xiàng)要求。隨著金屬增材制造技術(shù)的發(fā)展與成熟，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到航空發(fā)動(dòng)機(jī)的零件制造中，然而我國在金屬增材制造行業(yè)處于起步階段，依然具有較大的進(jìn)步空間。利用金屬增材制造技術(shù)，GE公司研發(fā)了發(fā)動(dòng)機(jī)中高溫部件。2004年，GE公司與斯奈克瑪公司之間展開合作，并研發(fā)出燃油噴射部件，制造出首臺(tái)燃油噴嘴，將多種部件進(jìn)行加工、鑄造，然后組裝結(jié)合成為最終的設(shè)備，其成本較高。采用金屬增材制造技術(shù)，GE公司將多種部件焊接為一體，再用合理的熱處理方式，提高材料的實(shí)際性能，避免在成產(chǎn)的過程中發(fā)生裂紋、變形的現(xiàn)象，延長燃油系統(tǒng)的使用壽命，降低研制成本。預(yù)計(jì)2020年時(shí)，通過50臺(tái)至100臺(tái)機(jī)械，能夠達(dá)到每年生產(chǎn)四萬個(gè)燃油噴嘴，保障每個(gè)月能夠滿足175臺(tái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的需求。

就我國而言，背景航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)是研究以及應(yīng)用金屬增材技術(shù)制造技術(shù)的代表。北京航空航天大學(xué)重點(diǎn)研究LSF技術(shù)，其研制的鈦合金構(gòu)建大量用于我國軍用飛機(jī)中，促進(jìn)了我國軍用飛機(jī)的發(fā)展，提高我國航空實(shí)力。1995年，西北工業(yè)大學(xué)開始提出了激光增材制造技術(shù)的思想，并開展了20余年的研究工作，從而形成了工藝、材料、制造、應(yīng)用較為全面的技術(shù)體系，其制造的部件，廣泛的應(yīng)用于國內(nèi)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)中。除LSF技術(shù)之外，SLM技術(shù)也是西北工業(yè)大學(xué)的研究對(duì)象，重點(diǎn)研究精密的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，并取得一定的研究成果。

3、金屬增材制造技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的需求以及展望

3.1 應(yīng)用需求

首先，復(fù)雜性與尺寸的需求。目前，對(duì)于大型以及超大型部件的制造較為困難，且需要較高的成本，成產(chǎn)周期較長。因此基于金屬增材制造技術(shù)，能夠有效的降低成產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，但是需要加強(qiáng)對(duì)于大型、超大型部件的設(shè)計(jì)與成形，促進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)的全面發(fā)展。其次，精密修復(fù)需求。發(fā)動(dòng)機(jī)部件的性能，會(huì)隨著時(shí)間的延長而降低，并且修復(fù)的難度較大。因此，采用金屬增材制造技術(shù)，需要不斷提高部件的使用壽命，降低檢修難度，促進(jìn)航空也的發(fā)展。最后，一體化需求。設(shè)計(jì)制造一體化與信息系統(tǒng)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)，但是由于工藝水平的限制，會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)計(jì)的性能。應(yīng)用金屬增材制造技術(shù)，能夠促進(jìn)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的一體化，接訪設(shè)計(jì)者的思想，優(yōu)化部件的實(shí)際性能。

3.2 未來展望

根據(jù)航空行業(yè)的發(fā)展方向、發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)以及金屬增材工藝的應(yīng)用范圍，對(duì)金屬增材技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的未來展望進(jìn)行分析，具體內(nèi)容如下：

（1）LSF技術(shù)以高導(dǎo)葉片、高渦、鈦合金葉片、葉盤為目標(biāo)，利用先進(jìn)的制造工藝，研制并開發(fā)閉環(huán)控制、工藝調(diào)整、特征參數(shù)、成形工藝、送粉裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，提高單晶葉片、鈦合金葉片、整體葉盤的修復(fù)技術(shù)，兼并大型構(gòu)建的修復(fù)與增材制造。

（2）激光鋪粉工藝則會(huì)更加重視常規(guī)工藝、小批研制、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部件研究，通過評(píng)定組織性能、閉環(huán)過程、控制缺陷、成形參數(shù)、激光掃描的特征、鋪粉機(jī)構(gòu)、粉末物理特征等內(nèi)容，展開系統(tǒng)研究與技術(shù)合作，從而實(shí)現(xiàn)高精度、復(fù)雜、小型、小批的零件制造。

（3）由于條件、范圍、設(shè)備的限制，電子束鋪粉技術(shù)應(yīng)時(shí)刻掌握新型技術(shù)，以引進(jìn)成套設(shè)備、應(yīng)用成形零件為主導(dǎo)思想，促進(jìn)金屬增材制造技術(shù)的發(fā)展。

（4）等離子送絲工藝，將會(huì)以精密修復(fù)各中類型的部件為主要目標(biāo)，依據(jù)現(xiàn)有設(shè)備的功能，補(bǔ)充相關(guān)技術(shù)，重點(diǎn)研究組織性能、工藝驗(yàn)證的評(píng)定工作，實(shí)現(xiàn)薄壁零件的精密修復(fù)。

結(jié)語

綜上所述，美國GE公司引領(lǐng)金屬增材制造技術(shù)的發(fā)展方向，推動(dòng)其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)中的應(yīng)用，而增材技術(shù)在我國起步較晚，部分技術(shù)尚未常熟，但發(fā)展速度較快，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)中。對(duì)于日后的發(fā)展而言，金屬制造技術(shù)應(yīng)結(jié)合實(shí)際需求，改善生產(chǎn)、成形工藝，提高部件性能，促進(jìn)技術(shù)與航空業(yè)的發(fā)展。

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