增材制造作為開(kāi)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(kāi)拓創(chuàng )新，將傳統加工與智能化技術(shù)融為一體，將會(huì )為這些行業(yè)帶來(lái)深遠影響和重大變革。
為了減輕質(zhì)量、提高壽命、降低制造成本，航空發(fā)動(dòng)機結構中整體金屬構件的使用越來(lái)越多，也使得航空發(fā)動(dòng)機關(guān)鍵零部件加工難度大、特殊材料利用率低等長(cháng)期以來(lái)制約航空發(fā)動(dòng)機發(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)構想，是由美國聯(lián)合技術(shù)研究中心在1979年首先提出，其應用對象主要是針對航空發(fā)動(dòng)機的核心部件——渦輪盤(pán)。但受當時(shí)工業(yè)激光器功率及數控技術(shù)水平的限制，該項技術(shù)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(yè)和研究機構對金屬增材制造技術(shù)及其在航空發(fā)動(dòng)機領(lǐng)域的應用開(kāi)展了大量研究工作，提出了可通過(guò)增材制造技術(shù)生產(chǎn)的航空發(fā)動(dòng)機零部件，如圖1所示。

圖1：可增材制造的發(fā)動(dòng)機零部件

截至目前，高性能金屬增材技術(shù)已經(jīng)帶來(lái)了諸多效益，例如，實(shí)現了發(fā)動(dòng)機新型號的快速研發(fā)、零部件的質(zhì)量減輕、顯著(zhù)節約了昂貴的金屬材質(zhì)、實(shí)現了結構的多樣化、延長(cháng)了部件的壽命和降低了修復成本等。當前，航空發(fā)動(dòng)機領(lǐng)域增材制造技術(shù)的應用需求和研究熱點(diǎn)，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(fēng)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(shù)更是其中的研究重點(diǎn)。

增材制造在風(fēng)扇/壓氣機的應用

1. 整體葉盤(pán)

20世紀80年代中期，在航空發(fā)動(dòng)機結構設計中出現了一種稱(chēng)為“整體葉盤(pán)”的新構型，如圖2所示。整體葉盤(pán)把發(fā)動(dòng)機轉子的葉片和輪盤(pán)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)機整體結構大為簡(jiǎn)化、結構質(zhì)量減輕、零件數量減少。例如，美國F414發(fā)動(dòng)機第二級、第三級風(fēng)扇及前三級高壓轉子改用整體葉盤(pán)后，零件減少484個(gè)、發(fā)動(dòng)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(dòng)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(dòng)磨損，使發(fā)動(dòng)機的工作壽命和安全可靠性大大提高。

圖2：增材制造鈦合金整體葉盤(pán)

整體葉盤(pán)技術(shù)代表了第四代、第五代高推重比航空發(fā)動(dòng)機技術(shù)的發(fā)展方向，成為高推重比發(fā)動(dòng)機的必備結構，是先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機研制必須采用的核心關(guān)鍵技術(shù)之一。整體葉盤(pán)增材制造技術(shù)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(fā)動(dòng)機鈦合金大型整體葉盤(pán)傳統制造工藝相比，具有成分均勻、組織細小、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)，能夠實(shí)現整體葉盤(pán)零件的低熱影響、低變形修復。

鈦合金整體葉盤(pán)增材制造技術(shù)已在EJ200、F119、F414、F110等軍用和GE90、遄達900、PW300、BR715等民用航空發(fā)動(dòng)機風(fēng)扇及壓氣機轉子上得到廣泛應用。MTU、羅羅、GE、普惠等航空發(fā)動(dòng)機公司從整體葉盤(pán)增材制造技術(shù)的提出和應用開(kāi)始，就將有關(guān)整體葉盤(pán)的技術(shù)列為對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。

2. 風(fēng)扇/壓氣機機匣

1994年，羅羅公司與克蘭菲爾德大學(xué)合作，開(kāi)始探索航空發(fā)動(dòng)機機匣的激光立體成形制造技術(shù)。2016年，羅羅公司和GKN航宇公司達成協(xié)議，擴展雙方在遄達XWB-84發(fā)動(dòng)機項目上的合作，GKN宇航公司負責為遄達XWB發(fā)動(dòng)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(shù)等最新設計方法和制造技術(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構的零件還包括航空發(fā)動(dòng)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(cháng)、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。

圖3：遄達XWB-84發(fā)動(dòng)機中間級壓氣機機匣

3. 寬弦空心風(fēng)扇葉片

風(fēng)扇葉片是渦扇發(fā)動(dòng)機的核心零件之一。羅羅公司于1968年開(kāi)始設計、制造寬弦風(fēng)扇葉片，并在RB211-535E4發(fā)動(dòng)機上成功應用。隨著(zhù)氣動(dòng)設計技術(shù)、結構技術(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(fā)動(dòng)機產(chǎn)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(fēng)扇質(zhì)量，并提高了發(fā)動(dòng)機的推力。受此啟發(fā)，伴隨著(zhù)材料工藝和增材技術(shù)的進(jìn)一步融合發(fā)展，帶新型氣膜冷卻結構的葉片、碳纖維復合風(fēng)扇葉片、可調節導流葉片的增材制造技術(shù)也日趨成熟，如圖4所示。

圖4：增材制造的鈦合金空心葉片

4. 軸承相關(guān)件

增材制造技術(shù)對軸承相關(guān)件的制造工藝主要集中在磨損故障的維修與力學(xué)性能的防護上。通過(guò)專(zhuān)用金屬粉末對軸承、軸承座進(jìn)行激光增材技術(shù)修復，以實(shí)現報廢品的再生制造能力，節約了成本并縮短維修時(shí)間。羅羅公司的遄達XWB-97發(fā)動(dòng)機采用的直徑達1.5m的前軸承腔就是通過(guò)增材制造技術(shù)生產(chǎn)的，如圖5所示。

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圖5：遄達XWB-97發(fā)動(dòng)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(fā)動(dòng)機上首個(gè)獲得美國聯(lián)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(chǎn)的T25傳感器外殼于2014年10月完成最終設計，2015年2月通過(guò)FAA認證，在第二周就投入了使用，目前有超過(guò)400臺GE90-40B發(fā)動(dòng)機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)機開(kāi)發(fā)過(guò)程中，采用增材制造技術(shù)生產(chǎn)壓氣機靜子和同步環(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(zhù)未來(lái)將有更多零件，甚至整個(gè)發(fā)動(dòng)機都可能通過(guò)增材制造技術(shù)制備而成。

圖6：航空發(fā)動(dòng)機增材制造的部分其他零部件

增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢

盡管增材制造在航空發(fā)動(dòng)機領(lǐng)域的應用探索已歷經(jīng)數十年，但在實(shí)際應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)。

1. 專(zhuān)用高性能材料的研發(fā)

當前，限制增材制造在航空發(fā)動(dòng)機上應用的關(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)機進(jìn)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(zhuān)用高性能材料的研發(fā)將成為航空發(fā)動(dòng)機領(lǐng)域的重要研究方向。

2. 建立完備的數據庫與標準體系

經(jīng)過(guò)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用，而完備的數據庫和標準體系的建立是其中的關(guān)鍵。例如，以國際自動(dòng)機工程師學(xué)會(huì )（SAE）、美國材料與試驗協(xié)會(huì )（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(gè)多學(xué)科交叉、跨領(lǐng)域合作的熱點(diǎn)技術(shù)，在未來(lái)研究中，需要加強基礎理論的預先研究，建立各領(lǐng)域交流合作的共享平臺，利用各學(xué)科優(yōu)勢互補創(chuàng )新，突破技術(shù)難題，形成基礎研究和預研技術(shù)的體系化發(fā)展與規劃，建立完備的數據庫與標準體系是增材制造技術(shù)快速發(fā)展的基礎條件。

3. 復雜結構的修復與再制造

航空發(fā)動(dòng)機的研制是一個(gè)漫長(cháng)的過(guò)程。一代發(fā)動(dòng)機的研制需要10~20年甚至更長(cháng)的時(shí)間，其服役工作的苛刻環(huán)境決定了對零件制造的要求極高。在很長(cháng)一段時(shí)間里，金屬增材制造的重點(diǎn)是航空發(fā)動(dòng)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(fā)動(dòng)機產(chǎn)品，還應利用增材制造技術(shù)修復已失效的發(fā)動(dòng)機零件，快速實(shí)現低成本的再生制造，延長(cháng)發(fā)動(dòng)機的壽命，同時(shí)節約一定的研制成本。

結束語(yǔ)

面對航空發(fā)動(dòng)機對輕質(zhì)量、高性能、長(cháng)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(chǎn)品穩定性難控制，制約著(zhù)增材制造在高端動(dòng)力裝備的規?；瘧?。這也意味著(zhù)基于增材制造技術(shù)，構建穩固創(chuàng )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(shù)體系，已成為促進(jìn)該技術(shù)實(shí)現增材制造在動(dòng)力裝備規?；瘧玫闹匾l(fā)展途徑?？梢灶A見(jiàn)，隨著(zhù)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)機制造業(yè)帶來(lái)革命性的變化，機遇與挑戰并存。