中国航发杨卓勇: 金属增材制造在航空发动机领域有强大的诱惑力

3D打印人物
2019
10/25
15:57
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2019年9月19-21日,IAME中国(西安)国际3D打印博览会暨高峰论坛在西安高新国际会议中心举办。2019IAME旨在搭建增材制造(3D打印)科技创新的开放合作共享交流平台,汇聚全球顶尖的增材制造(3D打印)领域成果及人才,促进行业各环节、产业链的衔接融合。南极熊作为战略合作媒体,到西安现场全程报道。
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△南极熊配图:航空发动机

在“增材制造技术与航空航天论坛”上,中国航发西安航空发动机有限公司杨卓勇做了主题是《航空发动机领域金属增材制造技术应用现状、挑战及探讨》的报告。

下面南极熊根据现场速记整理的内容:

一、增材制造技术应用现状
前面讲到在航天领域获得广泛的应用,在发动机领域得到了比较广泛的应用,但是还处于起步阶段,基于下面几个优点,受到大家的普遍关注:
  • 一是降低成本,因为材料利用率提高了,所以研制成本就降低了。
  • 二是缩短周期,3D打印在产品研制过程中,因为不需要专用的模具,所以研制周期大大的缩短了。
  • 三是快速迭代,只需要更换3D模型就行了,所以快速研制方面大大缩短了研制周期。
  • 四是减重,结构优化重量大大减轻。

这四方面对航空发动机的研制企业来说具有巨大的诱惑力,所以我们企业非常重视3D打印技术的应用。在国外GE,Rolls-royce这些航空发动机巨头们非常重视这项技术的研究,在一体化,轻量化,精密复杂,大型薄壁结构研制上得到了应用,这展示了了GE燃油喷嘴,Rolls-royce的产品,和西门子的涡轮叶片,还有树脂复合材料金属包边。

另外一方面,3D打印在发动机的零件修复方面也有巨大的潜力,应用途径上,一个是制造成本高,尺寸精度要求比较高的零件修复,3D打印变形相对熔焊变形小的多,在整体叶盘,机匣,叶片复杂的零件修复有它巨大的优势。应急保障、战地修复有这方面的需求,航空发动机修理和再制造也有巨大的应用前景。国内航空发动机在增材制造航空零部件应用做了大量的工作,我们和高等院校合作搞了燃油喷嘴的研制,旋流器研制和整体叶盘的修复做了前期基础研究工作,有的在型号预研中也得到了应用。

二、存在问题与挑战
增材制造在航空发动机上的应用目前存在一些问题。

第一,技术要求方面比较粗糙,主要是靠供货商和采购方协商解决,所以各个工厂之间的技术要求差别比较大,这方面需要更进一步开展研究。

第二,增材制造粉末工艺检测全链条基础实验还不是很充分,包括无损检测,复杂曲面,晶格结构怎么检测,内腔内流道表面质量怎么控制等等方面,要应用到航空发动机我们还需要更进一步做一些细致的工作。

第三,增材制造件可靠性需要认证,目前增材制造的标准也是参考了锻铸件的标准,满足适航体系的要求,增材制造标准方面还需要进一步的研究,我们认为一个新零件通过3D打印要用到航空发动机上,大概需要粉末的确认,零件的稳定性的验证,工艺平台的建立,工艺参数的优化,包括热处理组织性能的研究,表面处理,批次性考核,力学性能的验证,疲劳性能实验,工艺评审,建立相应的体系性的标准,通过试车考核以后才能应用,应用验证的路途还是比较遥远的。

第四,如何降低增材制造的成本,缩短研制周期。这个图展示传统制造和增材制造成本周期的图,展示了预研,研制,批产和维修四个阶段的对比情况,从这个情况来看,我们在预研和研制初期,增材制造有优势,成本和周期方面有优势,随着批量的上升,进入批产和维修期以后如何进一步降低增材制造的成本,如何进一步的缩短研制周期或者制造周期也是我们面临的一项任务。

三、应用前景和展望
第一从国外的分析情况来看,3D打印在发动机上也有广泛的应用前景,这地方提到了压气机转子叶片,和压气机定子叶片,燃烧室的衬套,燃油喷嘴,高低压涡轮工作叶片,导向叶片和液罐,包括一些管接头,隔热瓶,外扑管漏(音),支架和其他的中小结构件,包括压气机的机匣,燃烧室的机匣,高低压涡轮,整体叶盘等等方面,我初步看了一下,在轴方面没有提到,其他方面基本都涉及到了,从这看出增材制造在发动机的应用前景比较广阔

第二我们认为基于增材制工艺约束的设计概念要贯穿始终,包括一体化,轻量化的设计,提升发动机性能。减少工艺辅助的结构,降低后处理的难度、几何复杂性、制造复杂性零件成本的降低,这些都是在设计阶段要考虑的问题。我们列了一个图,也是传统制造和增材制造的对比。在难度系数比较小的,目前0—45这个阶段,我们认为传统的制造方法还是有优势,但是在难度系数45—60这个阶段,我们可以传统制造和增材制造用增材制造替代传统制造,另外和难度系数更大,复杂的一体化轻量化的结构,传统的制造方法没有办法完成的,我们认为需要引入增材制造新的工艺方法。

第三是增材制造仿真技术的应用,可以减少前期研究的工作量,通过仿真技术的研究,解决残余应力和变形预测问题,缺陷预测和微观组织演变问题,工艺设计阶段支撑优化问题,通过模拟仿真提供理论参考依据,成型过程中的应力和变形,甚至开裂缺陷这些的预测,更重要的是减少工艺事业的迭代次数和研制周期,我们希望通过仿真解决的一些问题。

第四,增材制造技术与传统技术的集成。
右边是我们展示的一个模型,这展示一个机匣零件,机匣零件分布了好多凸台,我们如果按照传统方法制造,这个锻件的厚度起码是机匣壁的厚度加上凸台的厚度,这个厚度就非常大,我们按传统的方法制造,这铣下工需要家十天的时间,浪费加工周期,铣去了大量的材料,这方面也不经济,我们想引用复合制造的方法,在锻件技术上加一个增材制造,然后再进行自使用加工,另外一方面可以在铸件的基础上增加增材制造,最后自适应加工,增材加表面处理,对于修复零件我们可以先进行修复,然后恢复性能热处理,然后自石印加工,加表面强化,增材制造与传统工艺复合工艺,解决新品加工和零件修复过程中降低成本,缩短周期的问题。

第五,我们想进一步扩展增材制造在航空发动机上应用面。我们想结合国外的应用案例,加上对增材制造技术的特点分析,我们想确定在航空发动机重点应用的零件,包括薄壁内,空腔内等零件,确立这样一些典型零件,我们突破一些关键技术,仿真技术,粉末制备技术,收缩和变形问题,支撑问题等等,通过这些关键问题的突破,一个是研制主要零件,另外建立数据库,基于3D打印制造流程标准体系从而在航空发动机上进行全面的推广应用。

四、技术合作模式探讨
航空发动机零件对寿命和安全性要求比较高,所以3D打印零件的应用也需要做一些深入细致的研究工作,所以这方面我们想和大家一块开展这方面的研究工作。第一我们想从设计方面合作第二是从工艺方面与相关高等院校合作,材料制备和检测方面合作,设计方面,在设计的过程中引入一体化,轻量化设计的概念,关键要形成增材制造设计标准,然后增材制造件的考核验证也需要设计完成,更重要是材料和数据的积累,在材料方面,设计的航空发动机用的材料成分比较复杂,所以我们面临着一些新材料粉末合金研制的工作,希望和社会上进行广泛的合作,甚至包括材料对应工艺参数的开发,都是我们要考虑的范畴。工艺方面我们自己购置两台激光熔复设备,做了一些基础研究工作,希望和有优势的单位进行合适,工程化应用方面,复杂结构零件研制方面和工艺标准体系建设方面,希望同社会上一些高等院校和研究所进行广泛的合作。还有在检测方面,3D打印检测也是一个很复杂的问题,我们希望在检测方面同相关院校和研究所合作,今天我代表杨总给大家做简单的汇报。

谢谢大家。

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