風(fēng)扇/壓氣機(jī)增材制造技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)

■ 冀國鋒 李俊勵(lì) 楊進(jìn)飛 / 中國航發(fā)貴陽所

增材制造作為開拓制造業(yè)發(fā)展前景的新興技術(shù)，在航空航天等高精尖領(lǐng)域不斷開拓創(chuàng)新，將傳統(tǒng)加工與智能化技術(shù)融為一體，將會(huì)為這些行業(yè)帶來深遠(yuǎn)影響和重大變革。

為了減輕質(zhì)量、提高壽命、降低制造成本，航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)中整體金屬構(gòu)件的使用越來越多，也使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件加工難度大、特殊材料利用率低等長(zhǎng)期以來制約航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的因素更加凸顯。直接利用增材制造生產(chǎn)金屬零件的技術(shù)構(gòu)想，是由美國聯(lián)合技術(shù)研究中心(United Technologies Research Center ，UTRC)在1979年首先提出，其應(yīng)用對(duì)象主要是針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件——渦輪盤。但受當(dāng)時(shí)工業(yè)激光器功率及數(shù)控技術(shù)水平的限制，該項(xiàng)技術(shù)并未立即引起太多的注意。自20世紀(jì)90年代起，GE、羅羅、普惠等企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)對(duì)金屬增材制造技術(shù)及其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用開展了大量研究工作，提出了可通過增材制造技術(shù)生產(chǎn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件，如圖1所示。截至目前，高性能金屬增材技術(shù)已經(jīng)帶來了諸多效益，例如，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)新型號(hào)的快速研發(fā)、零部件的質(zhì)量減輕、顯著節(jié)約了昂貴的金屬材質(zhì)、實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的多樣化、延長(zhǎng)了部件的壽命和降低了修復(fù)成本等。當(dāng)前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域增材制造技術(shù)的應(yīng)用需求和研究熱點(diǎn)，主要集中在降低材料與機(jī)加工成本、縮短研制周期、拓寬設(shè)計(jì)自由度以制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)整體部件，而風(fēng)扇/壓氣機(jī)研制所用到的鈦合金構(gòu)件激光熔化沉積增材制造技術(shù)更是其中的研究重點(diǎn)。

圖1 可增材制造的發(fā)動(dòng)機(jī)零部件

圖2 增材制造鈦合金整體葉盤

圖3 遄達(dá)XWB-84發(fā)動(dòng)機(jī)中間級(jí)壓氣機(jī)機(jī)匣

增材制造在風(fēng)扇/壓氣機(jī)的應(yīng)用

整體葉盤

20世紀(jì)80年代中期，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)了一種稱為“整體葉盤”（blisk）新構(gòu)型，如圖2所示。整體葉盤把發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的葉片和輪盤制造成一體，省去了榫頭、榫槽及鎖緊裝置等連接件，使發(fā)動(dòng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化、結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕、零件數(shù)量減少。例如，美國F414發(fā)動(dòng)機(jī)第二級(jí)、第三級(jí)風(fēng)扇及前三級(jí)高壓轉(zhuǎn)子改用整體葉盤后，零件減少484個(gè)、發(fā)動(dòng)機(jī)推重比由7.5∶1提高到9.0∶1；消除了榫頭與榫槽間的氣流損失，提高氣動(dòng)效率；避免了由于裝配不當(dāng)造成的磨蝕，尤其避免了榫頭、榫槽間的微動(dòng)磨損，使發(fā)動(dòng)機(jī)的工作壽命和安全可靠性大大提高。整體葉盤技術(shù)代表了第四代、第五代高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展方向，成為高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)的必備結(jié)構(gòu)，是先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制必須采用的核心關(guān)鍵技術(shù)之一。

整體葉盤增材制造技術(shù)將高性能鈦合金材料制備與復(fù)雜零件直接近凈成形有機(jī)地融為一體，與發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金大型整體葉盤傳統(tǒng)制造工藝相比，具有成分均勻、組織細(xì)小、生產(chǎn)工序少、制造流程短、材料利用率高、制造周期短、成本低等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)整體葉盤零件的低熱影響、低變形修復(fù)。鈦合金整體葉盤增材制造技術(shù)已在EJ200、F119、F414、F110等軍用和GE90、遄達(dá)900、PW300、BR715等民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇及壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子上得到廣泛應(yīng)用。MTU、羅羅、GE、普惠等航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司從整體葉盤增材制造技術(shù)的提出和應(yīng)用開始，就將有關(guān)整體葉盤的技術(shù)列為對(duì)外高度保密的核心關(guān)鍵技術(shù)，積累了幾十年的研制經(jīng)驗(yàn)。

風(fēng)扇/壓氣機(jī)機(jī)匣

1994年，羅羅公司與克蘭菲爾德大學(xué)合作，開始探索航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的激光立體成形（LSF）制造技術(shù)。2016年，羅羅公司和吉?jiǎng)P恩（GKN）航宇公司達(dá)成協(xié)議，擴(kuò)展雙方在遄達(dá)XWB-84發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目上的合作，GKN宇航公司負(fù)責(zé)為遄達(dá)XWB發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)提供高性能中間級(jí)壓氣機(jī)機(jī)匣，采用了包括增材制造工藝和新的焊接技術(shù)等最新設(shè)計(jì)方法和制造技術(shù)，如圖3所示。這種由襯套、殼體、肋板等特征形式制造出的薄壁結(jié)構(gòu)的零件還包括航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、燃燒室等，若采用傳統(tǒng)的鑄造、鍛造、焊接、機(jī)加等工藝制造，則有周期長(zhǎng)、材料利用率低等弊端。相比而言，增材制造能夠比較容易地實(shí)現(xiàn)大型深徑比薄壁結(jié)構(gòu)的制備，可節(jié)約更多的研制成本及縮短研制周期。

圖4 增材制造的鈦合金空心葉片

寬弦空心風(fēng)扇葉片

風(fēng)扇葉片是渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的核心零件之一。羅羅公司于1968年開始設(shè)計(jì)、制造寬弦風(fēng)扇葉片，并在RB211-535E4發(fā)動(dòng)機(jī)上成功應(yīng)用。隨著氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)、結(jié)構(gòu)技術(shù)、材料技術(shù)和增材制造技術(shù)的不斷發(fā)展，寬弦空心風(fēng)扇葉片在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用更加廣泛，羅羅、普惠、GE、斯奈克瑪?shù)裙揪诟髯缘陌l(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品上推廣使用，如F119、遄達(dá)800等。寬弦空心葉片的應(yīng)用改變了流道，減輕了風(fēng)扇質(zhì)量，并提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的推力。受此啟發(fā)，伴隨著材料工藝和增材技術(shù)的進(jìn)一步融合發(fā)展，帶新型氣膜冷卻結(jié)構(gòu)的葉片、碳纖維復(fù)合風(fēng)扇葉片、可調(diào)節(jié)導(dǎo)流葉片的增材制造技術(shù)也日趨成熟，如圖4所示。

軸承相關(guān)件

增材制造技術(shù)對(duì)軸承相關(guān)件的制造工藝主要集中在磨損故障的維修與力學(xué)性能的防護(hù)上。通過專用金屬粉末對(duì)軸承、軸承座進(jìn)行激光增材技術(shù)修復(fù)，以實(shí)現(xiàn)報(bào)廢品的再生制造能力，節(jié)約了成本并縮短維修時(shí)間。羅羅公司的遄達(dá)XWB-97發(fā)動(dòng)機(jī)采用的直徑達(dá)1.5m的前軸承腔就是通過增材制造技術(shù)生產(chǎn)的，如圖5所示。

其他零部件

圖5 遄達(dá)XWB-97發(fā)動(dòng)機(jī)前軸承腔

圖6 航空發(fā)動(dòng)機(jī)增材制造的部分其他零部件

T25高壓壓氣機(jī)溫度傳感器的外殼是GE公司商用發(fā)動(dòng)機(jī)上首個(gè)獲得美國聯(lián)邦航空局（FAA）批準(zhǔn)的增材制造零件，如圖6（a）所示。傳感器外殼主要用于保護(hù)溫度傳感器脆弱的電子元器件，防止結(jié)冰或被急速氣流損壞。GE公司生產(chǎn)的T25傳感器外殼于2014年10月完成最終設(shè)計(jì)，2015年2月通過FAA認(rèn)證，在第二周就投入了使用，目前有超過400臺(tái)GE90-40B發(fā)動(dòng)機(jī)加裝了用增材制造技術(shù)生產(chǎn)的T25傳感器外殼。

普惠公司在齒輪傳動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)過程中，采用增材制造技術(shù)生產(chǎn)壓氣機(jī)靜子和同步環(huán)支架，如圖6（b）和圖6（c）所示。借助增材制造技術(shù)，普惠公司可以將部件制造成任何形狀，這就意味著未來將有更多零件，甚至整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)都可能通過增材制造技術(shù)制備而成。

增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

盡管增材制造在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用探索已歷經(jīng)數(shù)十年，但在實(shí)際應(yīng)用和推廣方面仍處于起步階段，以下幾個(gè)方面是今后發(fā)展的重點(diǎn)。

專用高性能材料的研發(fā)

當(dāng)前，限制增材制造在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的關(guān)鍵不是制造工藝，而是材料研發(fā)。其中，高性能合金，非金屬聚合物，耐高溫、防腐蝕、高韌性極限服役環(huán)境材料是航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行增材制造必不可少的原料，也是增材制造大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸所在。因此，增材制造專用高性能材料的研發(fā)將成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的重要研究方向。

建立完備的數(shù)據(jù)庫與標(biāo)準(zhǔn)體系

經(jīng)過多年探索發(fā)展，各國的增材制造技術(shù)正在逐漸從理論研究走向工程應(yīng)用，而完備的數(shù)據(jù)庫和標(biāo)準(zhǔn)體系的建立是其中的關(guān)鍵。例如，以國際自動(dòng)機(jī)工程師學(xué)會(huì)（SAE）、美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）為代表的研究機(jī)構(gòu)綜合多年的研究成果，建立了完備數(shù)據(jù)庫和標(biāo)準(zhǔn)體系，形成了系統(tǒng)的研究方法。增材制造是一個(gè)多學(xué)科交叉、跨領(lǐng)域合作的熱點(diǎn)技術(shù)，在未來研究中，需要加強(qiáng)基礎(chǔ)理論的預(yù)先研究，建立各領(lǐng)域交流合作的共享平臺(tái)，利用各學(xué)科優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)創(chuàng)新，突破技術(shù)難題，形成基礎(chǔ)研究和預(yù)研技術(shù)的體系化發(fā)展與規(guī)劃，建立完備的數(shù)據(jù)庫與標(biāo)準(zhǔn)體系是增材制造技術(shù)快速發(fā)展的基礎(chǔ)條件。

復(fù)雜結(jié)構(gòu)的修復(fù)與再制造

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制是一個(gè)漫長(zhǎng)的過程。一代發(fā)動(dòng)機(jī)的研制需要10～20年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間，其服役工作的苛刻環(huán)境決定了對(duì)零件制造的要求極高。在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，金屬增材制造的重點(diǎn)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的修復(fù)。因此，不僅要利用增材制造的特殊工藝研制出高性能的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品，還應(yīng)利用增材制造技術(shù)修復(fù)已失效的發(fā)動(dòng)機(jī)零件，快速實(shí)現(xiàn)低成本的再生制造，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命，同時(shí)節(jié)約一定的研制成本。

結(jié)束語

面對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)輕質(zhì)量、高性能、長(zhǎng)壽命、高可靠、集約化的迫切需求，目前基于增材制造并面向系統(tǒng)級(jí)、性能高效的功能集成化設(shè)計(jì)方法仍不健全，批量化增材制造產(chǎn)品穩(wěn)定性難控制，制約著增材制造在高端動(dòng)力裝備的規(guī)?；瘧?yīng)用。這也意味著基于增材制造技術(shù)，構(gòu)建穩(wěn)固創(chuàng)新設(shè)計(jì)、新型復(fù)合材料、特殊工藝制造、修復(fù)與再制造全流程技術(shù)體系，已成為促進(jìn)該技術(shù)實(shí)現(xiàn)增材制造在動(dòng)力裝備規(guī)模化應(yīng)用的重要發(fā)展途徑。可以預(yù)見，隨著研究的不斷深入和行業(yè)的發(fā)展，增材制造技術(shù)必將給航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)帶來革命性的變化，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。