金屬增材制造在發(fā)動機渦輪設(shè)計中的應(yīng)用

■ Julien PAVILLET / 北京南方斯奈克瑪渦輪技術(shù)公司

增材制造（AM）并不是用于取代鑄造、鍛造或機械加工等傳統(tǒng)制造工藝，而是在一定的約束條件下提供更大的設(shè)計自由度，但基于增材制造的整體部件給日常維護(hù)和修理帶來了挑戰(zhàn)。

增材制造（AM），也稱作“3D打印”，廣泛應(yīng)用于日常生活和工業(yè)生產(chǎn)，在復(fù)雜幾何形狀和簡化制造之間實現(xiàn)了完美的平衡。增材制造為發(fā)動機的渦輪設(shè)計和生產(chǎn)帶來了數(shù)字化的靈活性和高效率。

從創(chuàng)意到現(xiàn)實

1952年，日本教授Kojima首次提出將材料逐層增加以制造三維結(jié)構(gòu)實體的想法，這被視作增材制造的起源。

1980年， 日 本 教 授Kodama發(fā)表了第一份關(guān)于光致抗蝕劑聚合快速成形的報告，由于資金問題，沒有完成專利的申請。1984年，法國研究人員開發(fā)了立體光刻（stereolithography）技術(shù)（最早的3D打印技術(shù)之一），由于缺乏市場而放棄。美國工程師Charles Hull繼續(xù)對立體光刻技術(shù)開展研究，并于1986年申請了光固化成形（SLA）專利。

1988年， 美 國 大 學(xué) 生Carl Deckard在得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的支持下，用兩年半的時間開發(fā)了選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)，無須任何鑄造便可生產(chǎn)出零件。

1989年， 機 械 工 程 師Scott Crump開發(fā)出能自動構(gòu)建三維物理模型的熔融沉積建模（FDM）技術(shù)。

如今，大多數(shù)增材制造技術(shù)都是基于SLA、SLS和FDM。

金屬增材制造

增材制造可以采用聚合物、陶瓷和金屬等多種原材料。金屬材料的增材制造技術(shù)可根據(jù)原料和能源的類型進(jìn)行分類。其中，粉末床選區(qū)熔化（PBF）和定向能量沉積（DED）是用得最多的且最主要的金屬材料增材制造技術(shù)。

粉末床選區(qū)熔化

截至2020年，54%的金屬增材制造市場采用粉末床選區(qū)熔化（PBF）工藝。常見的金屬PBF工藝包括直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）、激光選區(qū)熔融（SLM）、電子束熔融（EBM）和直接金屬激光熔融（DMLM）。DMLS和SLM專門用于金屬部件生產(chǎn)，其主要的優(yōu)勢是僅需有限的支撐結(jié)構(gòu)，能打印出復(fù)雜的幾何形狀，無須后處理操作來移除支撐結(jié)構(gòu)。不足是相對昂貴且復(fù)雜，受機器尺寸、變形程度和表面粗糙度的限制。SLM是用激光將粉末材料加熱到熔點，通過熔融形成固體。較高的表面質(zhì)量和較低的孔隙率是該工藝的關(guān)鍵優(yōu)勢。而EBM則是采用高能電子束將金屬粉末熔融在一起。

定向能量沉積

定向能量沉積（DED）占金屬增材制造市場的16%。DED系統(tǒng)主要采用激光束、電子束、等離子體或電弧作為熱源。它選擇性地熔化金屬絲或粉末，并將其連續(xù)添加到構(gòu)建平臺上。DED技術(shù)主要用于制造金屬部件。該工藝采用機器人焊接工藝，能以較高的沉積速率進(jìn)行打印，但相對精度較低。

DED可用于具有高沉積速率的無約束構(gòu)建體，對大中型復(fù)雜金屬產(chǎn)品具有成本效益，也可用于受損部件的修復(fù)。主要有電弧增材制造（WAAM）和電子束增材制造（EBAM）。WAAM技術(shù)是一種基于焊絲的DED方法，以電弧作為能量源對焊絲/粉末原料進(jìn)行熔化。在EBAM中，電子束作為能量源對焊絲/粉末材料進(jìn)行熔化。

對于金屬增材制造工藝的選擇主要取決于原材料、零件用途、設(shè)備成本、零件所需的表面處理、交付期限等。

金屬增材制造優(yōu)化渦輪設(shè)計

金屬增材制造具有快速加工和修理、制造自由形狀和復(fù)雜幾何形狀以及整合零件的能力，可以從減輕質(zhì)量、縮短交付期和減少零件數(shù)量等三個方面入手對渦輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

北京南方斯奈克瑪渦輪技術(shù)公司采用增材制造技術(shù)設(shè)計、生產(chǎn)了低壓渦輪的主要零部件（見圖1），包括機匣、葉片、導(dǎo)向器、渦輪盤、軸承座和一體化過渡段，以驗證其力學(xué)性能。

圖1 金屬增材制造用于低壓渦輪設(shè)計

無論是增材制造還是常規(guī)生產(chǎn)，最重要的一點是能夠表征材料和力學(xué)性能，以開發(fā)出材料數(shù)據(jù)庫。大多數(shù)情況下，力學(xué)性能與所用工藝相關(guān)，需要進(jìn)行特殊測試以驗證技術(shù)成熟度。

實踐證明，使用增材制造可將生產(chǎn)時間減少50%～90%，適用于為試驗準(zhǔn)備零件或為售后按需求生產(chǎn)備件。

例如，采用增材制造思維設(shè)計的軸承座（見圖2），主要零件的數(shù)量從5個減少到1個，質(zhì)量減輕30%，無螺栓連接，組裝或維修時間都明顯減少了。螺栓連接通常會在裝配過程中引起緊固問題，或造成異物損傷。

圖2 軸承座

用增材制造思維設(shè)計的包括第一級導(dǎo)向器的渦輪整體機匣（見圖3），主要部件從3個減少到1個，質(zhì)量減輕10%，無螺釘和螺栓，減少了裝配時間和供應(yīng)商數(shù)量。

圖3 渦輪整體機匣

可見，增材制造能為改善設(shè)計、時間、成本和供應(yīng)鏈管理提供諸多可能性，但這些因素必須根據(jù)項目戰(zhàn)略平衡，并考慮客戶的意愿。

結(jié)束語

金屬增材制造提供了一個很好的集成組件的機會，可以最大限度地減少浪費。然而，基于增材制造的整體組件因為無法拆解，對日常維護(hù)和修理帶來了挑戰(zhàn)。有必要制定設(shè)計策略、優(yōu)化技術(shù)和維護(hù)方法。增材制造技術(shù)目前仍處在開始階段，更多的新工藝和新材料仍在開發(fā)之中。