3D打印技术在航空发动机维修中的应用

来源：3D打印研究院

3D打印技术近几年的发展飞速，在国内外的航空领域，都属于前沿研究技术和应用领域之一。而3D打印在航空领域中的应用不仅是关键零部件制造，它在航空发动机维修应用中也日渐受到重视。首先和大家科普一下，航空发动机的维修场景都涉及些什么：

1、发动机维修零备件的采购
2、发动机战场装备的应急维修
3、航空发动机维修中零部件的再制造

发动机维修零备件的采购就一个字，难。

01 一般这些零备件的采购包括到寿件、易损件、必换件等。

国内航空发动机现状是“多品种，小批量”而且仍有部分进口发动机服役，导致备件种类繁多且不可相互代替。所以零备件采购后的库存管理存在很多问题，例如：
1、需要使用的备件缺货，导致影响生产进度；
2、大量库存过期或老化，造成经济浪费；
3、库存运营成本高，需要大量的空间和人力盘点和维护库存，等等
利用3D打印制造出所需要的零备件，使原本采用传统方法短时间内无法满足设备、工艺等基础条件的航空发动机维修企业也具备了零部件制造能力，既节约了制造成本，又缩短了维修周期。

02 在未来信息化高技术战争中，战场上如果需要更换毁损部件，那么发动机战场装备的应急维修也是重中之重。
应急维修最主要的条件就是“及时”、“快速”。如果在战场上无法及时制造毁损不见，那么可能会出现装备某个零部件出现故障却无法维修的窘境。
但是采用3D打印设备可以直接在战场上把所需要的部件制造出来，装配后再投入战场，真正地做到了“应急”抢修。

03 在欧美国家，航空发动机关键零部件如压气机叶片、涡轮叶片等的再制造技术是被严密封锁的关键核心技术，因为每当发动机工作时都会导致这些零部件损伤报废严重，成为制约发动机维修周期和成本的主要因素。

其实以上三个维修应用场景的核心就是3D打印技术的制造与再制造，适用于航空发动机金属零部件制造与再制造的3D打印技术主要如下图：

针对发动机维修零备件的采购和发动机战场装备的应急维修的两个场景中，主要涉及的都是利用3D打印技术来制造航空发动机零部件，而3D打印研究院其实已经针对这个方面发表了几篇文章。

所以今天的重点就在于，3D打印技术在维修与再制造发动机零部件的应用。

在这个过程中应用了一个技术概念，那就是“3D打印再制造”，也称为“增材修复技术”，指的就是融合了3D 打印技术和再制造技术。
近年来，进入实施阶段的3D打印再制造技术种类包括了：激光再制造技术、再制造毛坯快速成型技术、冷/热喷涂技术、各类堆焊等。
然而，像喷涂技术或者各种堆焊技术都存在一定的局限性。

例如热喷涂技术，其涂层内部存在1%~2%的孔隙率，涂层与基体结合强度低；堆焊技术在进行大面积沉积作业的时候会有效能低、成本高和表面精度低等问题，不适用于绿色循环经济。

△热喷涂技术

所以目前来说，对关键重要零部件进行修复和再制造技术中运用得最多的就是激光再制造技术。
激光再制造技术是被绿色循环经济大力提倡的技术。它以能源节省、资源节约、保护生态环境为主要特色，能够对废旧部件剩余价值进行开发以及利用，减少了大量报废、失效零件对生态环境可能造成的危害。

激光再制造技术可用于激光再制造的前、中、后处理，具体的技术分类如下图：

△激光再制造技术分类

图中的“激光成形修复技术”是激光再制造技术的核心，其中的激光熔覆成形和激光快速成形属于的3D打印技术。目前应用较为广泛的就是激光熔覆成形技术。

那什么是激光熔覆成形？它在维修时候的工艺流程是什么样的呢？

△激光熔覆成形

激光熔覆成形技术属于表面增材技术，可以对失效的零件进行再制造，延长其使用寿命。它是利用高能激光束辐照，通过迅速熔化、扩展和凝固，在基材表面熔覆一层具有特殊物理、化学或力学性能的材料，构成一种不同于基材的新材料，以弥补基体所缺少的高性能。

此外，激光熔覆技术也是可以满足成形、成性一体化需求的增材制造技术，可兼顾精确成形和高性能成性，集激光技术、计算机技术、数控技术及材料技术等诸多现代先进技术于一体，已逐渐发展成为可实现智能制造的先进技术。

激光熔覆技术的优点主要体现在以下几个方面：
1、激光束有较高能量密度，仅仅需要将少许能量注入就可实现激光熔覆。
2、激光熔覆层有着比较低的稀释率，并且能够实现精确控制，熔覆材料的成分也将决定熔覆层的成分及性能。
3、激光熔覆层微观缺陷少，有着较为致密的组织。
4、能够精确控制熔覆层。

它在维修时候的主要涉及的工艺流程如下：

不过，在3D打印技术在航空发动机维修中的应用中，也依然存在一些问题：
1、许多航空发动机维修企业3D打印技术手段缺乏；
2、用户对再制造产品的认可度有待提高。

结语

随着现在科技的不断发展，大功率的新型激光器能够更好的满足材料对能量的吸收，模拟软件的不断更新换代也为激光熔覆技术的革新和进一步发展提供了保障。激光熔覆技术作为绿色3D打印技术再制造技术之一，不仅会在航空发动机的维修与再制造中得到深入应用，相信在其他领域也会逐渐得到认可。