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      航空發動機中整體金屬構件的增材制造技術應用與發展趨勢

      發布時間:2020-12-29瀏覽次數:13

       

      增材制造作為開拓制造業發展前景的新興技術,在航空航天等高精尖領域不斷開拓創新,將傳統加工與智能化技術融為一體,將會為這些行業帶來深遠影響和重大變革。
      為了減輕質量、提高壽命、降低制造成本,航空發動機結構中整體金屬構件的使用越來越多,也使得航空發動機關鍵零部件加工難度大、特殊材料利用率低等長期以來制約航空發動機發展的因素更加凸顯。直接利用增材制造生產金屬零件的技術構想,是由美國聯合技術研究中心在1979年首先提出,其應用對象主要是針對航空發動機的核心部件——渦輪盤。但受當時工業激光器功率及數控技術水平的限制,該項技術并未立即引起太多的注意。自20世紀90年代起,GE、羅羅、普惠等企業和研究機構對金屬增材制造技術及其在航空發動機領域的應用開展了大量研究工作,提出了可通過增材制造技術生產的航空發動機零部件,如圖1所示。

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      圖1:可增材制造的發動機零部件

       

      截至目前,高性能金屬增材技術已經帶來了諸多效益,例如,實現了發動機新型號的快速研發、零部件的質量減輕、顯著節約了昂貴的金屬材質、實現了結構的多樣化、延長了部件的壽命和降低了修復成本等。當前,航空發動機領域增材制造技術的應用需求和研究熱點,主要集中在降低材料與機加工成本、縮短研制周期、拓寬設計自由度以制造復雜結構整體部件,而風扇/壓氣機研制所用到的鈦合金構件激光熔化沉積增材制造技術更是其中的研究重點。

       

      增材制造在風扇/壓氣機的應用


      1. 整體葉盤

       

      20世紀80年代中期,在航空發動機結構設計中出現了一種稱為“整體葉盤”的新構型,如圖2所示。整體葉盤把發動機轉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,使發動機整體結構大為簡化、結構質量減輕、零件數量減少。例如,美國F414發動機第二級、第三級風扇及前三級高壓轉子改用整體葉盤后,零件減少484個、發動機推重比由7.5∶1提高到9.0∶1;消除了榫頭與榫槽間的氣流損失,提高了氣動效率,避免了由于裝配不當造成的磨蝕,尤其避免了榫頭、榫槽間的微動磨損,使發動機的工作壽命和安全可靠性大大提高。

       圖片2.png 

      圖2:增材制造鈦合金整體葉盤

       

      整體葉盤技術代表了第四代、第五代高推重比航空發動機技術的發展方向,成為高推重比發動機的必備結構,是先進航空發動機研制必須采用的核心關鍵技術之一。整體葉盤增材制造技術將高性能鈦合金材料制備與復雜零件直接近凈成形有機地融為一體,與發動機鈦合金大型整體葉盤傳統制造工藝相比,具有成分均勻、組織細小、生產工序少、制造流程短、材料利用率高、制造周期短、成本低等優點,能夠實現整體葉盤零件的低熱影響、低變形修復。

       

      鈦合金整體葉盤增材制造技術已在EJ200、F119、F414、F110等軍用和GE90、遄達900、PW300、BR715等民用航空發動機風扇及壓氣機轉子上得到廣泛應用。MTU、羅羅、GE、普惠等航空發動機公司從整體葉盤增材制造技術的提出和應用開始,就將有關整體葉盤的技術列為對外高度保密的核心關鍵技術,積累了幾十年的研制經驗。

       

      2. 風扇/壓氣機機匣

       

      1994年,羅羅公司與克蘭菲爾德大學合作,開始探索航空發動機機匣的激光立體成形制造技術。2016年,羅羅公司和GKN航宇公司達成協議,擴展雙方在遄達XWB-84發動機項目上的合作,GKN宇航公司負責為遄達XWB發動機設計提供高性能中間級壓氣機機匣,采用了包括增材制造工藝和新的焊接技術等最新設計方法和制造技術,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構的零件還包括航空發動機葉片、燃燒室等,若采用傳統的鑄造、鍛造、焊接、機加等工藝制造,則有周期長、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現大型深徑比薄壁結構的制備,可節約更多的研制成本及縮短研制周期。

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      圖3:遄達XWB-84發動機中間級壓氣機機匣

       

      3. 寬弦空心風扇葉片

       

      風扇葉片是渦扇發動機的核心零件之一。羅羅公司于1968年開始設計、制造寬弦風扇葉片,并在RB211-535E4發動機上成功應用。隨著氣動設計技術、結構技術、材料技術和增材制造技術的不斷發展,寬弦空心風扇葉片在航空發動機上的應用更加廣泛,羅羅、普惠、GE、斯奈克瑪等公司均在各自的發動機產品上推廣使用,如F119、遄達800等。寬弦空心葉片的應用改變了流道,減輕了風扇質量,并提高了發動機的推力。受此啟發,伴隨著材料工藝和增材技術的進一步融合發展,帶新型氣膜冷卻結構的葉片、碳纖維復合風扇葉片、可調節導流葉片的增材制造技術也日趨成熟,如圖4所示。

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      圖4:增材制造的鈦合金空心葉片

       

      4. 軸承相關件

       

      增材制造技術對軸承相關件的制造工藝主要集中在磨損故障的維修與力學性能的防護上。通過專用金屬粉末對軸承、軸承座進行激光增材技術修復,以實現報廢品的再生制造能力,節約了成本并縮短維修時間。羅羅公司的遄達XWB-97發動機采用的直徑達1.5m的前軸承腔就是通過增材制造技術生產的,如圖5所示。

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      圖5:遄達XWB-97發動機的前軸承腔

       

      5. 其他零部件

       

      T25高壓壓氣機溫度傳感器的外殼是GE公司商用發動機上首個獲得美國聯邦航空局(FAA)批準的增材制造零件,如圖6(a)所示。傳感器外殼主要用于保護溫度傳感器脆弱的電子元器件,防止結冰或被急速氣流損壞。GE公司生產的T25傳感器外殼于2014年10月完成最終設計,2015年2月通過FAA認證,在第二周就投入了使用,目前有超過400臺GE90-40B發動機加裝了用增材制造技術生產的T25傳感器外殼。

       

      普惠公司在齒輪傳動渦扇發動機開發過程中,采用增材制造技術生產壓氣機靜子和同步環支架,如圖6(b)和圖6(c)所示。借助增材制造技術,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,甚至整個發動機都可能通過增材制造技術制備而成。

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      圖6:航空發動機增材制造的部分其他零部件

       

      增材制造技術發展趨勢

       

      盡管增材制造在航空發動機領域的應用探索已歷經數十年,但在實際應用和推廣方面仍處于起步階段,以下幾個方面是今后發展的重點。

       

      1. 專用高性能材料的研發

       

      當前,限制增材制造在航空發動機上應用的關鍵不是制造工藝,而是材料研發。其中,高性能合金,非金屬聚合物,耐高溫、防腐蝕、高韌性極限服役環境材料是航空發動機進行增材制造必不可少的原料,也是增材制造大規模應用的瓶頸所在。因此,增材制造專用高性能材料的研發將成為航空發動機領域的重要研究方向。

       

      2. 建立完備的數據庫與標準體系

       

      經過多年探索發展,各國的增材制造技術正在逐漸從理論研究走向工程應用,而完備的數據庫和標準體系的建立是其中的關鍵。例如,以國際自動機工程師學會(SAE)、美國材料與試驗協會(ASTM)和國際標準化組織(ISO)為代表的研究機構綜合多年的研究成果,建立了完備數據庫和標準體系,形成了系統的研究方法。增材制造是一個多學科交叉、跨領域合作的熱點技術,在未來研究中,需要加強基礎理論的預先研究,建立各領域交流合作的共享平臺,利用各學科優勢互補創新,突破技術難題,形成基礎研究和預研技術的體系化發展與規劃,建立完備的數據庫與標準體系是增材制造技術快速發展的基礎條件。

       

      3. 復雜結構的修復與再制造

       

      航空發動機的研制是一個漫長的過程。一代發動機的研制需要10~20年甚至更長的時間,其服役工作的苛刻環境決定了對零件制造的要求極高。在很長一段時間里,金屬增材制造的重點是航空發動機零部件的修復。因此,不僅要利用增材制造的特殊工藝研制出高性能的發動機產品,還應利用增材制造技術修復已失效的發動機零件,快速實現低成本的再生制造,延長發動機的壽命,同時節約一定的研制成本。

       

      結束語

       

      面對航空發動機對輕質量、高性能、長壽命、高可靠、集約化的迫切需求,目前基于增材制造并面向系統級、性能高效的功能集成化設計方法仍不健全,批量化增材制造產品穩定性難控制,制約著增材制造在高端動力裝備的規?;瘧?。這也意味著基于增材制造技術,構建穩固創新設計、新型復合材料、特殊工藝制造、修復與再制造全流程技術體系,已成為促進該技術實現增材制造在動力裝備規?;瘧玫闹匾l展途徑??梢灶A見,隨著研究的不斷深入和行業的發展,增材制造技術必將給航空發動機制造業帶來革命性的變化,機遇與挑戰并存。


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