一文洞悉國內航空發動機葉輪葉片3D打印進展到哪里了？
魔猴君 行業資訊 1605天前
發動機葉片是一類典型的自由曲面零件，加工這類零件時都有一個特點：薄，加工時易變形，并且材質通常為不銹鋼、蒙乃爾合金、INCONEL、鈦和鎳為基礎的難加工合金材料，更增添了加工的困難度。
還有一種加工方式是葉片和整體葉盤的整體式加工，國際上，ACAM-亞琛增材制造中心的研發成員，來自亞琛工業大學數字化增材生產DAP的渦輪機械專家與Fraunhofer弗勞恩霍夫生產技術研究所IPT合作一體化葉盤由鎳基超級合金IN 718制成，研究人員成功地為葉盤開發了LPBF制造工藝，結果，他們以接近最終形狀的輪廓制造了葉盤，尤其是葉片輪廓，從而大大減少了要去除的材料。
本期，3D科學谷與大家一起來領略，發動機葉片與葉輪，國內發展的最新情況。
整體葉盤。來源：ACAM亞琛增材制造中心
3D打印悄悄改變的葉片世界
l 中國航發商用航空發動機
- 帶胞元結構的靜子導向葉片的增材制造
根據中國航發商用航空發動機的專利CN209569034U，中國航發商用航空發動機開發了兩端分別設置有外環安裝邊的靜子導向葉片，外環安裝邊的設計包括胞元結構的填充材料，新型靜子導向葉片及包括其的航空發動機通過安裝邊本體的結構設計，取消了襯墊結構，達到同樣或更優減少微動磨損和減少氣動損失的目的(不改變其它零件結構)。
安裝邊的內部熱膨脹采用胞元結構設計，能夠等效襯墊結構工作狀態。但采用間隙配合，在冷態易于安裝，工作溫度下膨脹壓緊。通過在安裝邊胞元結構內部填充合適的熱膨脹系數更大的材料，能夠實現熱膨脹變形能夠達到預期效果，以及應力水平在可控范圍內。
- 抗沖擊增強型渦輪發動機風扇葉片
基于增材制造可以多種材料融合、內部結構形式設計靈活的特點，可以在最大限度的減輕葉片重量的前提下，通過葉片前緣加強結構設計，有效提高葉片的抗沖擊能力。根據中國航發商用航空發動機的專利CN105604978B，中國航發商用航空發動機開發了抗沖擊增強型渦輪發動機風扇葉片，包括葉片本體和前緣增強結構。
葉片本體和前緣增強結構是由增材制造工藝一體成型的一體件，葉片本體為金屬葉片，前緣增強結構的材料采用高強金屬材料。其中，前緣增強結構包括在葉片本體的前緣側沿整個縱向長度方向向外擴展的彈性的層狀結構，前緣增強結構和金屬葉片的前緣之間采用對金屬葉片的材料和前緣增強結構都具有親和性的中間材料進行過渡。
值得一提的是，國際上GE航空旗下的Avio Aero已經在意大利的Cameri工廠擴大GE9X發動機渦輪葉片的3D打印生產能力，該工廠已安裝了35臺電子束熔融（EBM）金屬3D打印設備，預計2022年至2023年將在此生產約6萬個葉片。
視頻：GE9X發動機
l 中國航發北京航空材料研究院
- 整體葉盤
根據中國航發北京航空材料研究院的專利CN107138924A，目前國內外雙金屬雙性能鈦合金整體葉盤制造方法有線性摩擦焊、擴散焊、熱等靜壓擴散焊或送粉式激光增材制造方法。其中，線性摩擦焊工藝對設備的依賴程度很大，焊接的效果、精度很大程度上取決于設備的能力，且焊接工裝復雜，成本高。擴散焊方法面臨加壓困難、接頭一致性控制及無損檢測等技術難題，且整體葉盤結構復雜，需采用特殊的加壓手段，工藝實現起來技術難度大。熱等靜壓擴散焊技術成熟度相對較低，需解決可靠封焊或包套，需采取特殊工藝措施確保熱等靜壓過程的可靠實施。另外，由于擴散焊時結構需整體經歷焊接熱循環過程，還需解決焊接熱循環與材料的熱處理制度匹配問題，避免熱循環可能對基體材料造成的不良影響。
中國航發北京航空材料研究院開發了一種雙金屬雙性能鈦合金整體葉盤制造方法，首先在輪盤鍛件基礎上采用電子束熔絲沉積增材制造方法制造出不同材料的鈦合金葉片毛坯；然后采用機械加工或電解加工至葉片設計尺寸，最終實現雙金屬雙性能鈦合金整體葉盤的制造。這種方法具有制造成本低、周期短、冶金質量高的特點。葉片和輪盤采用不同的材料制造可以充分發揮各自力學性能優勢，滿足整體葉盤對輪盤高強度、高應變疲勞性能的要求和葉片對高應力疲勞和持久性能的要求，從而實現整體葉盤在更高溫度條件下服役或代替高溫合金整體葉盤實現減重的目的。
這與國際上ACAM亞琛增材制造中心的跨學科團隊開發的整體葉盤所使用的技術不同，ACAM為葉盤開發了LPBF-基于粉末床的增材制造工藝，此外，他們應用了點陣晶格結構來支撐構建過程中的部件，使得后期需要去除的材料顯著減少，并且避免了銑削過程中的振動。那些點陣晶格結構由于密度低而可以不費力地去除。
國內與國際這兩種曲徑通幽的思路為增材制造整體葉盤鋪墊了一個持續探索的路徑。
l 南方科技大學
- 航空發動機風扇葉片再制造
根據南方科技大學的專利CN106874550A，南方科技大學開發了基于增材設計的航空發動機風扇葉片再制造方法，在不改變航空發動機風扇葉片的氣動外形和功能特性的前提下，采用亞表面細網結構設計，引入球面中空單元，通過多個球面中空單元在航空發動機風扇葉片的內部形成滿足結構完整性要求的球面狀中空網絡結構，最后使用增材制造技術完成再制造。這種方法可以減輕航空發動機風扇葉片的自身重量，解決航空發動機風扇葉片根部應力集中的問題，同時增材制造工藝流程簡單，制造周期更短，成本更低。南方科技大學改變了傳統擴散連接焊制作工藝復雜操作困難的現狀，充分發揮增材設計制造在航空發動機風扇葉片再制造中的作用。
最后，值得重視的是正如魔猴網在《3D打印與工業制造》一書所提到的，“3D 打印并非是一座孤島，而必須與其他傳統制造工藝相融合，才能成為創造制造業附加值的“利器”。在工藝融合方面，可以借鑒的經驗包括GF加工方案提供的廣泛的產品組合，從電加工(EDM)、銑床、激光紋理加工、增材制造等制造技術組合提供一站式的解決方案，從而提供生產的靈活性，降低復雜性，降低總體成本（TCO）。另外一家雷尼紹集成了完整的工藝鏈解決方案，還包括其獨具特色的機內測頭測量、對刀和Equator比對測量等等， 這些技術必將提升工廠的自動化水平，讓制造企業當下即可擁有滿足“未來工廠”要求的高效精密制造能力。
葉片內部
葉輪葉片是高附加值的產品，除了硬件的融合，誠然，突破傳統的設計思路與制造方式，需要企業具有自我超越的精神，仿真與設計將發揮越來越重要的主導性作用引導制造界走向正向設計之路。
西門子3D打印的燃氣渦輪機葉片
真正理解了3D打印的價值后，我們發現國內企業對待這一技術的態度已經發生了巨大的變化。值得欣喜的是國內這些企業和研究結構已經清晰的看到3D打印重塑價值鏈產業鏈的顛覆潛力，相信在國際和國內硬件與軟件解決方案各種技術的充分融合交互下，我國的制造將開辟出一條獨具特色的發展之路，為人類社會造福。
