增材制造在航空發(fā)動機燃燒室中的應(yīng)用

■ 楊謙 / 中國航發(fā)研究院

增材制造技術(shù)具有的成形限制少、數(shù)字化程度高、加工材料利用率高、加工速度快等特點，使其在航空發(fā)動機制造領(lǐng)域的應(yīng)用有了迅速發(fā)展。燃燒室作為工作條件極為惡劣的部件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工難度大，利用增材制造的技術(shù)優(yōu)勢可以使燃燒室實現(xiàn)個性化加工，推動燃燒室研制的進步。

增材制造或積層制造（Additive Manufacturing，AM），又 稱為3D打?。?D Printing）,是快速成形（Rapid Prototyping，RP）的一種。其主要工作過程是把一個來源于三維設(shè)計或者以其他電子數(shù)據(jù)方式完成的3D模型依照某一坐標軸或某個特定方向分解為多個剖面，基于每個剖面形狀和尺寸進行結(jié)構(gòu)堆積，最后形成一個實體的立體模型?？焖俪尚渭夹g(shù)使用的方法有很多種，如光固化立體成形、分層實體制造、選擇性激光熔化、熔積成形等。

增材制造能夠在無模具的條件下進行復(fù)雜結(jié)構(gòu)的金屬與非金屬高性能零件的快速成型制造、加工和修復(fù)，且隨著制造工藝的進步，其綜合性能與傳統(tǒng)制造技術(shù)生成的零件性能相當，因此被越來越多地應(yīng)用于航空發(fā)動機和地面燃氣輪機等復(fù)雜葉輪機械的生產(chǎn)制造過程中。結(jié)合增材制造的特點，其技術(shù)具有以下創(chuàng)新性和優(yōu)勢：降低復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的生產(chǎn)制造成本；無模具限制，可靈活進行產(chǎn)品多樣化生產(chǎn)；拓撲優(yōu)化設(shè)計，減少零件數(shù)量；試制與批量加工周期縮短；突破傳統(tǒng)工藝要求，利于新產(chǎn)品的發(fā)明創(chuàng)造，拓展設(shè)計空間；與傳統(tǒng)加工相比，操作簡單，人員需求量減少，技能要求降低，有利于人員成本控制；設(shè)備可移動性好，自由度高，有利于便攜制造；可融合不同材料進行加工；增材制造零件的同一性高。

結(jié)合增材制造加工技術(shù)的特點和航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，一些傳統(tǒng)的航空發(fā)動機制造強國（如美國、英國和德國等）已經(jīng)在航空發(fā)動機特定部件上使用增材制造技術(shù)進行加工和制造，而在航空發(fā)動機制造技術(shù)深厚積累使其在增材制造加工技術(shù)領(lǐng)域也凸顯出先發(fā)優(yōu)勢。從應(yīng)用來看，多種增材制造技術(shù)因地制宜地使用在航空發(fā)動機機匣、葉片、靜子部件以及燃油噴嘴等的成形、制造與修復(fù)上，所使用材料、生產(chǎn)工藝和最終構(gòu)型也呈多樣化發(fā)展態(tài)勢。其中，應(yīng)用最為頻繁的增材制造技術(shù)為激光立體成形（LSF）技術(shù)和選擇性激光熔化（SLM）技術(shù)。

增材制造技術(shù)在燃燒室中的應(yīng)用現(xiàn)狀

燃燒室作為航空發(fā)動機內(nèi)部氣流壓力和溫度最高的部件，其性能和壽命指標對于燃燒室設(shè)計和制造加工提出了十分苛刻的需求，因此，燃燒室的結(jié)構(gòu)變得愈發(fā)復(fù)雜和精密，這對燃燒室部件的加工和制造均提出了不小的挑戰(zhàn)。同時，市場的激烈競爭要求燃燒室的加工周期縮短。利用增材制造技術(shù)，燃燒室的設(shè)計人員可以在不受傳統(tǒng)加工條件限制的前提下設(shè)計出性能優(yōu)異的燃燒室部件，并在更短的時間內(nèi)加工完成投入使用。因此，有不少發(fā)動機研發(fā)機構(gòu)開始探索和驗證增材制造技術(shù)在燃燒室試制中的應(yīng)用。

燃料空氣組合噴嘴制造

燃料空氣組合噴嘴是燃燒室中最關(guān)鍵的一個組件。它的作用是使液態(tài)燃料形成良好的霧化顆粒群，對液態(tài)/氣態(tài)燃料和空氣進行高效混合，在燃燒室頭部產(chǎn)生穩(wěn)定火焰的回流區(qū)，生成的旋流火焰滿足燃燒室的點熄火、燃燒效率、排放物和出口溫度指標要求。目前，先進的燃料空氣組合噴嘴往往采用燃油噴嘴+單級或多級旋流組件組成，燃油噴嘴流道和旋流空氣流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用傳統(tǒng)制造方法零件數(shù)量和加工工序較多，增材制造加工技術(shù)的出現(xiàn)為噴嘴生產(chǎn)制造提供了一個優(yōu)化路徑。

圖1 GE公司使用增材制造技術(shù)制造出的空氣霧化組合噴嘴

GE公司使用增材制造技術(shù)實現(xiàn)了一臺發(fā)動機上的20個燃油空氣組合噴嘴的制造,如圖1所示。與之前傳統(tǒng)加工零件模型相比，增材制造的組合噴嘴的耐久度高5倍，且增材制造技術(shù)實現(xiàn)了用1個組件來代替之前的20個零件，同時減少了傳統(tǒng)加工工藝中必須使用的焊接技術(shù)。這種增材制造技術(shù)被稱為“直接金屬激光融化技術(shù)”（Direct Metal Laser Melting，DMLM）。利用計算機設(shè)計出3D模型，使用高能激光將金屬粉末融化為薄層（厚度約為20μm）疊加生長成形。一個零件的加工周期取決于零件的復(fù)雜程度，可能需要從幾天到幾周的時間。同時，在生成零件的過程中需要對加工過程進行監(jiān)控。這種燃油空氣組合噴嘴已經(jīng)用在CFM國際公司的 LEAP發(fā)動機上。

另外，增材制造個性化制造的特點在異形組合噴嘴的加工上也得到了應(yīng)用。無人飛行裝置的動力系統(tǒng)在使用高能量密度燃料時會出現(xiàn)燃燒系統(tǒng)低效能的情況。為解決微尺度燃燒室效率和耐久性問題，表面積與體積比率很高的微型燃燒室多采用微尺度和中等燃燒尺度燃燒組織方式，應(yīng)用傳統(tǒng)的制造工藝面臨諸多困難。直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)（Direct Metal Laser Sintering，DMLS)被用來加工多個4×4中等尺度的受控旋流陣列組合噴嘴。加工過程充分驗證了增材制造技術(shù)加工小型復(fù)雜高縱橫比零件的可靠性和可重復(fù)性。但在加工過程中也出現(xiàn)了一些不足和問題，如孔形變窄、通道塌陷和結(jié)構(gòu)加工不完整等。奧地利的Combustion Bay One團隊為了降低旋流通道的壓力損失，優(yōu)化旋流噴嘴的流動燃燒性能，設(shè)計出多個使用數(shù)學(xué)分析手段得到的螺旋式旋流器。在進行評估之后，用Pulver AMPO L718打印設(shè)備完成了鉻鎳鐵合金718材料旋流器的加工。一個旋流器的平均加工時間為10h，壁面厚度最小可以達到0.5mm，且在加工過程中不需要額外的支撐結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

同樣，利用增材制造技術(shù)進行燃油噴嘴和旋流器制造的還有賽峰直升機發(fā)動機公司、西門子公司和Euro-K公司等。在滿足制造精度的前提下，增材制造技術(shù)使得制造工序大大減少，有效地縮短了生產(chǎn)周期，降低了成本。

火焰筒整體制造

羅羅公司的新一代富油燃燒—猝熄—貧油燃燒低污染燃燒室在進行全環(huán)燃燒室試驗加工時使用了添加層制造技術(shù)（DLD）。由于DLD設(shè)備的加工尺寸限制，全環(huán)燃燒室被分為了8個組件進行加工，最后通過自動化激光焊接技術(shù)進行裝配。最終DLD燃燒室的加工時長為3.5個月，比燃燒室傳統(tǒng)的加工時長18個月減少了70%。這種新式制造方法按照計劃已經(jīng)完成了設(shè)計、制造、生產(chǎn)交付和試驗測試，并獲得了專利授權(quán)，如圖3所示。

對于使用增材制造技術(shù)制造的火焰筒，其主要優(yōu)勢在于復(fù)雜型面的處理和壁面小孔的直接加工。采用增材制造技術(shù)進行火焰筒的加工已經(jīng)在實際的應(yīng)用之中，如圖4所示?；鹧嫱采系拇罅坷鋮s小孔，都可以在制造火焰筒時一并完成，而不需要傳統(tǒng)加工中專門的鉆孔工序。羅羅公司在進行DLD燃燒室火焰筒加工的時候發(fā)現(xiàn)，增材制造出的火焰筒冷卻孔的直徑比預(yù)期設(shè)計值大，且孔的進氣表面參差不齊。經(jīng)過光學(xué)檢查和冷卻孔進氣面積的計算發(fā)現(xiàn)，這與流動試驗結(jié)果存在緊密的相關(guān)性?；谠囼灉y量面積值來調(diào)整DLD設(shè)備的相關(guān)參數(shù)，可實現(xiàn)冷卻孔加工面積值與預(yù)期設(shè)計值的一致性。

圖2 增材制造在異形組合噴嘴加工的應(yīng)用

增材制造技術(shù)的優(yōu)勢還體現(xiàn)在能夠較為容易地實現(xiàn)新的設(shè)計構(gòu)想。例如，對于像圖4（b）所示的異形冷卻小孔，如果使用傳統(tǒng)的加工方法，很難獲得與設(shè)計符合程度高的小孔試驗件。這種小孔由于尺寸小，在1mm量級，一般的鉆頭只能進行圓孔的加工，而激光鉆孔的方法無法保證尺寸和表面粗糙度的要求。使用增材制造技術(shù)直接生成試驗件，既可以保證尺寸和型面符合度，同時也減少了鉆孔這道工序。

圖3 DLD火焰筒部件幾何模型和全環(huán)成品實物

燃燒室新型結(jié)構(gòu)組件的制造

為解決貧油預(yù)混燃燒室產(chǎn)生的熱聲振蕩現(xiàn)象對火焰筒結(jié)構(gòu)完整性的危害問題，約翰·科恩蓋（John Kornegay）等人通過在火焰筒內(nèi)環(huán)腔加入環(huán)狀多孔襯套來減弱燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象。這種多孔襯套由多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件Within Medical進行設(shè)計和優(yōu)化，使用Ti-64粉末完成多孔致密形狀零件的增材制造，如圖5（a）所示。經(jīng)過試驗驗證，多孔襯套的加入使得聲壓級（Sound Pressure Levels，SPLs)）降低至少9dB。同時，燃燒室瞬態(tài)流動速率更加平穩(wěn)，火焰穩(wěn)定機制改進，熱聲振蕩現(xiàn)象顯著減少。杰昂穆恩·帕克（Jeongmoon Park）為了研究對轉(zhuǎn)渦（CVP）高效混合器的流動和混合特性，利用增材制造設(shè)備進行了12個樹脂材料試驗?zāi)Ｐ偷募庸?如圖5（b）所示。基于米爾恩-湯姆森（Milne-Thomson）圓定理設(shè)計出的混合器方案結(jié)構(gòu)形式異常復(fù)雜，但是通過增材制造技術(shù)可以輕松完成加工任務(wù)。未來有望使用Alloy718合金進行試驗件的加工和試驗驗證，采用的增材制造方法為直接金屬激光燒結(jié)。

圖4 增材制造技術(shù)對火焰筒冷卻孔的處理

應(yīng)用潛力及優(yōu)勢分析

燃料空氣組合噴嘴

航空發(fā)動機對燃燒室性能要求的提高使得燃燒室頭部的燃燒組織方式發(fā)生了較大的改變。從傳統(tǒng)的燃料空氣組合噴嘴進一步發(fā)展出了中心分級頭部燃燒組織方式。由于燃料空氣組合噴嘴的設(shè)計需遵循強化混合的目標，燃料流動通道和空氣流道在上游分隔而下游合并，燃料流速較空氣更高，因此，流道尺寸小，空氣量相對大且需確保均勻，往往采用軸對稱的尺寸相對較大的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，這些特點使得燃料空氣組合噴嘴的結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜。在加工過程中，由于小孔、燃料管道、旋流葉片和復(fù)雜混合腔道的存在，需要將噴嘴分拆為多個零件進行加工。在加工和裝配的過程中，還需要設(shè)計多個工序來保證尺寸、精度、粗糙度和密封性的要求。而且，分級噴嘴的出現(xiàn)，使得燃油流道和空氣流道的個數(shù)進一步增加，燃油流道由1～2級變?yōu)?～4級，空氣流道由2～3級變?yōu)?～6級。同時，具體結(jié)構(gòu)的尺寸差異也在放大。采用傳統(tǒng)加工方式，組合噴嘴分拆出的零件數(shù)量將會由5～10件增加到20件以上甚至更多。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的增加，零件的裝配和焊接會遇到巨大的困難，需要進行精細的結(jié)構(gòu)設(shè)計來避免裝配問題的發(fā)生。

增材制造技術(shù)應(yīng)用在燃料空氣組合噴嘴上將會大大促進噴嘴研制的發(fā)展。其應(yīng)用在噴嘴研制領(lǐng)域的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個方面。

一是減少加工裝配工序的個數(shù)。由于增材制造技術(shù)是一次成型的制造技術(shù)，在進行噴嘴生產(chǎn)的過程中只需要提供符合設(shè)計要求的噴嘴3D模型就可以一次性加工得到。

二是可以實現(xiàn)多種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案。對于傳統(tǒng)加工方法很難做好的多級旋流結(jié)構(gòu)、油氣混合腔道和吹掃空氣結(jié)構(gòu)等，增材制造技術(shù)通過模型生成都可以做到。

三是保證密封要求。由于不存在焊接工序，燃油和空氣流道的密封性可以得到更好的保證。

四是尺寸精度更高。增材制造技術(shù)的最高精度在μm量級，完全能夠滿足尺寸在mm量級上的噴嘴加工限制要求。

五是加工周期短。由于增材制造技術(shù)工序的減少，增材而非減材的方式注定了其加工用時大多短于傳統(tǒng)機械加工方式。

火焰筒加工

火焰筒的發(fā)展主要體現(xiàn)在火焰筒摻混方式與熱防護措施的進一步進化。具體來說指的是火焰筒燃燒與摻混組織方式以及冷卻結(jié)構(gòu)的進步和火焰筒材料組成的變化。由于燃燒室溫升的提高，火焰筒壁面的冷卻結(jié)構(gòu)由簡單的氣膜冷卻和沖擊+氣膜冷卻結(jié)構(gòu)，發(fā)展出了復(fù)雜而高效的復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)。高效復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)的特點體現(xiàn)在冷卻空氣通道數(shù)量增多、氣流流動過程復(fù)雜化、火焰筒壁面結(jié)構(gòu)功能分化（內(nèi)壁面承溫外壁面承力）等。這些冷卻結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)也使得火焰筒的加工工序變得復(fù)雜。

同時，由于火焰筒內(nèi)燃燒分區(qū)溫度的不同，為達到優(yōu)化火焰筒壁面溫度分布的目的，在火焰筒壁面的不同位置依據(jù)不同的燃氣溫度需要進行差異化的摻混射流與冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計。因此，同一個火焰筒的不同位置可能會采用不同的摻混溫度調(diào)控方案、冷卻方式或者同一種冷卻方式不同的冷卻尺寸。這對于同一個火焰筒的加工來說也造成了加工工序的增多。

火焰筒材料的發(fā)展，主要指非金屬復(fù)合材料在火焰筒上的應(yīng)用。它在耐熱性、降低能耗和減少污染方面的優(yōu)勢及其在工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景，使其成為當前的研究重點?；鹧嫱哺魺嵬繉咏Y(jié)構(gòu)和非金屬復(fù)合材料火焰筒已經(jīng)在燃燒室的研制中進行了嘗試與驗證。而目前限制這些技術(shù)在燃燒室方面應(yīng)用的一個重要原因就是傳統(tǒng)的加工方法無法較好地融合金屬與非金屬材料，使其緊密地結(jié)合在部件表面。

上述火焰筒發(fā)展過程中出現(xiàn)的加工困難，都可以通過增材制造技術(shù)進行解決。首先，增材制造技術(shù)的增材特點可以使得復(fù)雜結(jié)構(gòu)的火焰筒一次成型加工完成，而基本不用考慮火焰筒型面，摻混結(jié)構(gòu)以及冷卻結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性；其次，增材制造技術(shù)微米量級的精度可以較好地復(fù)現(xiàn)摻混及冷卻結(jié)構(gòu)的尺寸差異，保證不同部位冷卻結(jié)構(gòu)尺寸的準確性，減少傳統(tǒng)加工工藝中不同加工工具的更換工序以及重定位問題，同時也可以較快地完成非標準孔的加工，避免為加工非標準孔而進行加工工具定制的情況出現(xiàn)；第三，增材制造原料的多樣性可以加大隔熱涂層和非金屬材料完成火焰筒制造的可能性。隨著未來加工原料的進步，金屬與非金屬混合材料以及多層復(fù)合材料通過增材制造手段完成高性能火焰筒的生產(chǎn)制造，能夠進一步提升燃燒室的綜合性能。

結(jié)束語

通過與增材制造技術(shù)的融合發(fā)展，燃燒室的研制形成了新的研究路徑和手段。利用增材制造技術(shù)，燃燒室實現(xiàn)了在燃料空氣組合噴嘴、火焰筒整體制造、創(chuàng)新結(jié)構(gòu)研發(fā)等方面的生產(chǎn)制造技術(shù)革新，隨之帶來的是研發(fā)和生產(chǎn)效率的提高。但增材制造技術(shù)在燃燒室制造領(lǐng)域的應(yīng)用依然處于起步探索階段，在燃燒室整個生命周期內(nèi)的應(yīng)用發(fā)展仍然有較大潛力。