中國航發楊卓勇: 金屬增材制造在航空發動機領域有強大的誘惑力

3D打印快訊
2019
10/25
15:57
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2019年9月19-21日,IAME中國(西安)國際3D打印博覽會暨高峰論壇在西安高新國際會議中心舉辦。2019IAME旨在搭建增材制造(3D打印)科技創新的開放合作共享交流平臺,匯聚全球頂尖的增材制造(3D打印)領域成果及人才,促進行業各環節、產業鏈的銜接融合。南極熊作為戰略合作媒體,到西安現場全程報道。


在“增材制造技術與航空航天論壇”上,中國航發西安航空發動機有限公司楊卓勇做了主題是《航空發動機領域金屬增材制造技術應用現狀、挑戰及探討》的報告。

下面南極熊根據現場速記整理的內容:

一、增材制造技術應用現狀
前面講到在航天領域獲得廣泛的應用,在發動機領域得到了比較廣泛的應用,但是還處于起步階段,基于下面幾個優點,受到大家的普遍關注:
  • 一是降低成本,因為材料利用率提高了,所以研制成本就降低了。
  • 二是縮短周期,3D打印在產品研制過程中,因為不需要專用的模具,所以研制周期大大的縮短了。
  • 三是快速迭代,只需要更換3D模型就行了,所以快速研制方面大大縮短了研制周期。
  • 四是減重,結構優化重量大大減輕。

這四方面對航空發動機的研制企業來說具有巨大的誘惑力,所以我們企業非常重視3D打印技術的應用。在國外GE,Rolls-royce這些航空發動機巨頭們非常重視這項技術的研究,在一體化,輕量化,精密復雜,大型薄壁結構研制上得到了應用,這展示了了GE燃油噴嘴,Rolls-royce的產品,和西門子的渦輪葉片,還有樹脂復合材料金屬包邊。

另外一方面,3D打印在發動機的零件修復方面也有巨大的潛力,應用途徑上,一個是制造成本高,尺寸精度要求比較高的零件修復,3D打印變形相對熔焊變形小的多,在整體葉盤,機匣,葉片復雜的零件修復有它巨大的優勢。應急保障、戰地修復有這方面的需求,航空發動機修理和再制造也有巨大的應用前景。國內航空發動機在增材制造航空零部件應用做了大量的工作,我們和高等院校合作搞了燃油噴嘴的研制,旋流器研制和整體葉盤的修復做了前期基礎研究工作,有的在型號預研中也得到了應用。

二、存在問題與挑戰
增材制造在航空發動機上的應用目前存在一些問題。

第一,技術要求方面比較粗糙,主要是靠供貨商和采購方協商解決,所以各個工廠之間的技術要求差別比較大,這方面需要更進一步開展研究。

第二,增材制造粉末工藝檢測全鏈條基礎實驗還不是很充分,包括無損檢測,復雜曲面,晶格結構怎么檢測,內腔內流道表面質量怎么控制等等方面,要應用到航空發動機我們還需要更進一步做一些細致的工作。

第三,增材制造件可靠性需要認證,目前增材制造的標準也是參考了鍛鑄件的標準,滿足適航體系的要求,增材制造標準方面還需要進一步的研究,我們認為一個新零件通過3D打印要用到航空發動機上,大概需要粉末的確認,零件的穩定性的驗證,工藝平臺的建立,工藝參數的優化,包括熱處理組織性能的研究,表面處理,批次性考核,力學性能的驗證,疲勞性能實驗,工藝評審,建立相應的體系性的標準,通過試車考核以后才能應用,應用驗證的路途還是比較遙遠的。

第四,如何降低增材制造的成本,縮短研制周期。這個圖展示傳統制造和增材制造成本周期的圖,展示了預研,研制,批產和維修四個階段的對比情況,從這個情況來看,我們在預研和研制初期,增材制造有優勢,成本和周期方面有優勢,隨著批量的上升,進入批產和維修期以后如何進一步降低增材制造的成本,如何進一步的縮短研制周期或者制造周期也是我們面臨的一項任務。

三、應用前景和展望
第一從國外的分析情況來看,3D打印在發動機上也有廣泛的應用前景,這地方提到了壓氣機轉子葉片,和壓氣機定子葉片,燃燒室的襯套,燃油噴嘴,高低壓渦輪工作葉片,導向葉片和液罐,包括一些管接頭,隔熱瓶,外撲管漏(音),支架和其他的中小結構件,包括壓氣機的機匣,燃燒室的機匣,高低壓渦輪,整體葉盤等等方面,我初步看了一下,在軸方面沒有提到,其他方面基本都涉及到了,從這看出增材制造在發動機的應用前景比較廣闊

第二我們認為基于增材制工藝約束的設計概念要貫穿始終,包括一體化,輕量化的設計,提升發動機性能。減少工藝輔助的結構,降低后處理的難度、幾何復雜性、制造復雜性零件成本的降低,這些都是在設計階段要考慮的問題。我們列了一個圖,也是傳統制造和增材制造的對比。在難度系數比較小的,目前0—45這個階段,我們認為傳統的制造方法還是有優勢,但是在難度系數45—60這個階段,我們可以傳統制造和增材制造用增材制造替代傳統制造,另外和難度系數更大,復雜的一體化輕量化的結構,傳統的制造方法沒有辦法完成的,我們認為需要引入增材制造新的工藝方法。

第三是增材制造仿真技術的應用,可以減少前期研究的工作量,通過仿真技術的研究,解決殘余應力和變形預測問題,缺陷預測和微觀組織演變問題,工藝設計階段支撐優化問題,通過模擬仿真提供理論參考依據,成型過程中的應力和變形,甚至開裂缺陷這些的預測,更重要的是減少工藝事業的迭代次數和研制周期,我們希望通過仿真解決的一些問題。

第四,增材制造技術與傳統技術的集成。
右邊是我們展示的一個模型,這展示一個機匣零件,機匣零件分布了好多凸臺,我們如果按照傳統方法制造,這個鍛件的厚度起碼是機匣壁的厚度加上凸臺的厚度,這個厚度就非常大,我們按傳統的方法制造,這銑下工需要家十天的時間,浪費加工周期,銑去了大量的材料,這方面也不經濟,我們想引用復合制造的方法,在鍛件技術上加一個增材制造,然后再進行自使用加工,另外一方面可以在鑄件的基礎上增加增材制造,最后自適應加工,增材加表面處理,對于修復零件我們可以先進行修復,然后恢復性能熱處理,然后自石印加工,加表面強化,增材制造與傳統工藝復合工藝,解決新品加工和零件修復過程中降低成本,縮短周期的問題。

第五,我們想進一步擴展增材制造在航空發動機上應用面。我們想結合國外的應用案例,加上對增材制造技術的特點分析,我們想確定在航空發動機重點應用的零件,包括薄壁內,空腔內等零件,確立這樣一些典型零件,我們突破一些關鍵技術,仿真技術,粉末制備技術,收縮和變形問題,支撐問題等等,通過這些關鍵問題的突破,一個是研制主要零件,另外建立數據庫,基于3D打印制造流程標準體系從而在航空發動機上進行全面的推廣應用。

四、技術合作模式探討
航空發動機零件對壽命和安全性要求比較高,所以3D打印零件的應用也需要做一些深入細致的研究工作,所以這方面我們想和大家一塊開展這方面的研究工作。第一我們想從設計方面合作第二是從工藝方面與相關高等院校合作,材料制備和檢測方面合作,設計方面,在設計的過程中引入一體化,輕量化設計的概念,關鍵要形成增材制造設計標準,然后增材制造件的考核驗證也需要設計完成,更重要是材料和數據的積累,在材料方面,設計的航空發動機用的材料成分比較復雜,所以我們面臨著一些新材料粉末合金研制的工作,希望和社會上進行廣泛的合作,甚至包括材料對應工藝參數的開發,都是我們要考慮的范疇。工藝方面我們自己購置兩臺激光熔復設備,做了一些基礎研究工作,希望和有優勢的單位進行合適,工程化應用方面,復雜結構零件研制方面和工藝標準體系建設方面,希望同社會上一些高等院校和研究所進行廣泛的合作。還有在檢測方面,3D打印檢測也是一個很復雜的問題,我們希望在檢測方面同相關院校和研究所合作,今天我代表楊總給大家做簡單的匯報。

謝謝大家。

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