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商用航空发动机金属增材制造技术及装备应用

发布时间:2017-07-19 作者:佚名  来源:航空制造网
诞生于20世纪70 年代末期的增材制造技术是制造技术原理的一次革命性突破,它形成了最能代表信息化时代特征的制造技术,即以信息技术为支撑,以柔性化的产品制造方式最大限度地满足无限丰富的个性化需求。

    1.2 装备研究现状
 
    作为一种涉及到激光、电子、数控、计算机、材料、检测等多学科交叉集成的先进新技术,直接增材制造技术的发展也伴随着专用装备技术的发展。直接增材制造的技术水平不仅取决于相关的科学技术研究基础,也取决于装备的技术水平。
 
    目前,国际上技术成熟度比较高的商业化LSF 装备的主要特性如表1 所示。目前,只有Optomec 公司的LENSTM 系统,POM 和Trumpf 公司的DMDTM系统和西北工业大学所开发的LSF 系统有商品化LSF 产品。在LSF 装备方面,国内北京航空航天大学从事研究的时间较长,取得了不少成果,但在提供商用化LSF装备方面,还属西北工业大学。从表1 可以看到,西北工业大学所研制的LSF 系列激光立体成形装备多项指标已处于国际领先水平。
 
    对于商用化SLM装备来说,由于是由传统的SLS装备发展而来,因此装备的成熟度相比LSF 装备较高。表2 给出了国际上主要SLM装备的技术指标,其中Concept Laser 公司生产的SLM装备可成形的零件尺寸最大,EOS 公司生产的SLM 装备可成形的零件尺寸次之,但是EOS 公司生产的M 系列SLM 装备的商用化成熟度最高,应用最广。
 
    在LSF 装备方面,国内除西北工业大学和北京航空航天大学外,目前还没有其他单位提供过商用化LSF 装备。
 
    在SLM 装备方面,国内目前已进入商用化销售的、较为成熟的SLM 装备主要来自华中科技大学和华南理工大学。与国外的SLM 设备相比,国内的SLM 设备还存在一定的差距,在成形精度和过程控制方面还需要进一步改进。最近,西北工业大学基于在LSF 装备研发的成功经验,与德国EOS 公司和比利时Materialise 公司合作,正在联合研发大幅面SLM 装备,有望在成形尺寸、精度和过程控制方面相比国际现有SLM 装备取得较大提升。
 
商用航空发动机金属增材制造技术及装备应用
 
    2 增材制造技术的发展与应用趋势
 
    増材制造技术可在无需任何硬质工装模具或模型的情况下,快速制备出不同材料的复杂形状零件,缩短制造周期,节省材料,降低成本,特别是所成形零件致密度高,具有快速凝固组织特征,零件的耐腐蚀性和力学性能达到或超过常规铸造或锻造零件的性能,能满足直接使用要求,在航空领域有着广阔的市场需求与应用前景。
 
    2.1 国外航空发动机的应用
 
    近年来,随着金属直接增材制造技术成熟度的逐渐提高,特别是金属直接增材制造装备的商用化,采用金属直接增材制造技术进行航空发动机零部件的成形制造也逐渐受到了国内外航空发动机公司和研究机构的重视。比如,德国MTU 航空发动机公司除了将LSF 技术应用于航空发动机零部件的修复之外,近期也开始测试采用SLM 技术直接制造的航空发动机小型压气机静子件;英国的Rolls-Royce 航空发动机公司同样也在考虑将金属直接增材制造技术应用于其先进航空发动机的轻量化零部件的直接制造;Pratt & Whitney公司则依托MTU 航空发动机公司,也在开展SLM技术直接制造PurePower PW1100G-JM航空发动机零部件的测试。
 
    GE 公司对于航空发动机各部位可以应用金属直接增材技术制造的发动机零部件进行了预测[3],如图4 所示。GE 公司预计,采用金属直接增材制造的零件,未来将可占航空发动机零部件的50%,使GE 研发的大型航空发动机每台减重至少454kg。
 
商用航空发动机金属增材制造技术及装备应用
 
    2.2 国内商用航空发动机的应用前景
 
    激光直接增材制造技术能够实现高性能复杂结构金属零件的无模具、快速、全致密净成形,特别是对于激光立体成形和修复的零件,能成形近全致密的金属零件,其力学性能同锻件性能相当[4]。航空发动机零件以盘类零件和叶片为主。盘类零件虽然结构单一,但零件尺寸较大;叶片尺寸虽然较小,但型面复杂。传统的机械加工工艺实现了盘、叶片类零件的高精度加工,但加工的周期长、经费高、材料利用率低,且由于机械加工技术存在一定的局限性,零件结构形式的设计受到了限制。因此,金属增材制造技术成为了应对航空发动机领域技术挑战的最佳新技术途径。对于以大涵道商用航空发动机研制为主的中航工业商发而言,可以在以下发动机零部件的加工、修复以及相应功能方面进行尝试。
 
    2.2.1 关键零部件的加工及修复
 
    (1)喷嘴壳体及涡流器组件。
 
    发动机中燃油喷嘴壳体的传统加工方法通常是由十几个零件焊接组合而成,其结构紧凑,尺寸要求严格,需要6 周左右的加工周期,而使用增材制造可无需其他工装,一次成形,生产周期缩短为一周内。其组件中涡流器的结构类似于叶轮,结构复杂、尺寸精度高,传统加工需要大量的工装,且生产周期需一个月左右,而使用增材制造则可在3~5 天内完成。图5 是利用选区激光熔化(SLM)装备成形的燃油喷嘴组件。
 
商用航空发动机金属增材制造技术及装备应用
 
    (2)预旋喷嘴。
 
    预旋喷嘴是一个尺寸达400mm 的薄壁回转体高温合金零件,形状为自由曲线形式,在两壁面3.5mm 间隙中沿圆周均布有数十个导向的小叶片,通常采用铸造的加工方式,但由于壁面仅有2mm 厚且叶片间隙很小,零件的废品率高,加工周期很长。而使用选区激光熔化成形(SLM)的方式则可以在10 天左右完成,从而提高成品率并大大缩短加工周期。
 
    (3)空心风扇叶片。
 
    大尺寸风扇叶片是大涵道比发动机必须突破的关键技术之一。目前国内中航工业北京航空制造工程研究所在瓦伦结构空心风扇叶片研制上取得了一定的进展,基本掌握了超塑成型/ 扩散连接(SPF/DB)组合成型工艺。但由于超塑成型/ 扩散连接的工艺技术复杂,影响因素较多,目前工艺仍不稳定;同时由于国外发动机公司对该技术已申请了相关专利,因此在实际应用过程中有可能会引发国际知识产权冲突。而采用直接增材制造技术,如果在组织性能方面再有所突破的话,就可以很好地解决这些问题,并且风扇叶片减重效果将更佳,减重率可达30% 以上。图6 是利用现今SLM 技术及装备成形的钛合金空心风扇叶片缩比件,可以看出其成形效果良好。相信随着装备技术的发展,最终可以完成 1:1 尺寸件的成形与制造。
 
商用航空发动机金属增材制造技术及装备应用
 
    (4)发动机流道件。
 
    很多发动机流道件,如中介机匣、高压涡轮等的结构非常复杂,通常只能采用将结构分离并分别加工,再将其焊接成一体的方式,有些流道件甚至需将10~20 件精密部件进行焊接,加工周期长,同时可靠性不容易保证。现如今SLM 装备的最大成形尺寸不超过400mm,因此只能通过LSF 方式进行这些零部件的毛坯件制造,或是局部发生损伤时进行快速修复。随着激光増材制造技术及装备的进一步成熟,则可采用SLM方式将发动机复杂流道件进行一次整体成形,大大提高可靠性,同时生产周期和成本还有可能大大降低。
 
    2.2.2 发动机研制过程的快速反应加工
 
    金属直接增材制造具有高性能、快速、自由实体成形特征,不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序,在一台设备上可快速而精密地制造出任意复杂形状的零件,从而实现“自由制造”,解决许多过去难以制造的复杂结构零件的成形,并大大减少了加工工序,缩短了加工周期。此外,在发动机的试验以及使用过程中都不可避免地存在零部件的损伤问题,而增材制造可以快速实现损伤修复,从而大大缩短再加工的周期,保证发动机研制的进度。
 
    2.2.3 实现零部件拓扑优化设计工艺性
 
    金属直接增材制造加工可以制造一些过去无法实现的功能结构。这些功能结构可以通过拓扑优化设计获得给定约束条件下的最佳形状结构,但拓扑优化设计的结构往往十分复杂,同传统经验方法设计的结构形状差异很大,采用传统制造技术一般无法制造出来。这使得拓扑优化设计仍然停留在研究阶段,基本上未在工程设计中应用。
 
    增材制造技术将给拓扑优化设计提供技术实现途径,从而实现功能优先的航空发动机设计和制造,如钛合金空心风扇叶片叶型的内部结构就可按拓扑优化设计,只需考虑叶片强度和性能,而无需顾及制造工艺问题;又如油泵壳体上集成油管路的优化设计等。这些对发动机实现减重、提高性能有着深远意义。
 
    3 结论
 
    (1)金属増它将会对传统制造工艺提出挑战,材制造是目前国际新型先进制造技术,对制造业产生深远影响,对航空发动机发展产生巨大推动作用。
 
    (2)増材制造将搭建发动机零部件研制新平台,能实现航空发动机研制过程快速反应加工,解决关键复杂零部件制造、修复与再制造,并为大客发动机批生产及后续维修、维护奠定基础。
 
    (3)通过本项目的建设,可以解决传统方法难以实现的复杂结构零部件的成形,并大大减少加工工序,缩短加工周期,降低制造成本,减轻发动机重量。
 
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