喷气发动机零件的增材设计与制造

来源：长三角G60激光联盟

喷气发动机零件的增材设计（AD）和增材制造（AM）将彻底改变传统航空航天工业。AM的独特特性，如梯度材料和微结构，为喷气发动机的设计和制造开辟了新的方向。工程师已经从与传统方法和技术相关的许多限制中解放出来。设计与制造之间的合作是包括空气动力学、热力学、结构集成、传热、材料开发和机械加工等领域成功的关键。本文详细讨论了AD和AM需要什么，以及如何解决当前的问题。

“增材制造”（AM）的概念包括从微观到宏观构建零件。目前，除了传统的铸造和锻造方法外，喷气发动机零件的特殊几何形状通常采用传统的减法加工方法，如锉削、车削、铣削和研磨金属块上的材料。然而，这些过程无法处理具有复杂内部子结构的结构。精密铸造在处理“理想”内部结构时也有限制。

在激光粉末床融合（LPBF）工艺（一种增材制造（AM）工艺）中，高能量密度激光束用于根据从三维计算机辅助设计（CAD）数据接收的指令，以逐层方式快速选择性地熔化金属粉末。LPBF工艺具有以下优点：由于回收未使用的粉末，制造复杂形状的零件，减少装配零件的数量和避免工具成本等，材料使用效率高。此外，LPBF具有良好的可重复性和中等生产率，因此在直接制造中等数量的中高表面质量的高质量零件方面越来越受欢迎。

（a）用于模态分析的AM支架组件的有限元模型，（b）有限元预测支架组件在85.6 Hz下的基本振动模式，描绘了AM支架的轴向变形模式。

由于安全性的关键方面、效率的主要方面以及成本的关键方面，AM是迄今为止喷气发动机零件的最佳选择。如图1所示，据估计，75%以上的喷气发动机零件因其形状不规则和结构复杂而适合AM应用。然而，这种适用性的最重要原因是，所有传统的设计和制造方法都有局限性，无法满足喷气发动机零件制造所涉及的材料和工艺的竞争要求。

图1 AM的喷气发动机应用。（a）涡轮风扇喷气发动机；（b）燃料喷嘴；（c）高压涡轮喷嘴；（d）高压涡轮叶片。

AM代表了人类进化的一个步骤，因为我们从通过锻造或切割来制造产品过渡到通过添加材料来制造产品，这是一种更接近自然过程的方法。与传统制造技术相比，AM最明显的优势是能够处理非常复杂的形状，尤其是内部形状。AM的另一个优点是其节省材料的能力；由于AM中没有多余的材料被浪费，因此它的使用与贵重材料特别相关。AM的其他独特优势，如梯度材料的使用以及将不同材料组合成单一结构的能力，在此不再详细讨论，因为迄今为止，它们缺乏足够多的数据来支持它们。

支架中裂缝表面的SEM显微照片：a）位置1的裂纹萌生位点，b）位置1的裂纹扩展区，c）位置4的裂纹萌生位点，d）位置4的裂纹扩展区，e）位置5的裂纹萌生位点，f）位置5的裂纹扩展区。

表面粗糙、空隙和孔隙率分数较大的LPBF零件通常具有较短的疲劳寿命。应该注意的是，LPBF零件的不同表面上可能存在明显不同的粗糙度，具体取决于零件内表面的方向。对于在垂直平面上成一定角度定向的LPBF试样，发现向下的表面（即朝向构建板）具有比朝上表面更高的表面粗糙度。朝下的表面建立在粉末上，其导热系数低于固化材料。这导致更少的散热，因此，更多的粉末颗粒被部分熔化并粘在表面上。重力导致无支撑层的熔池下垂到下面的未熔化粉末中，这也是下表面较粗糙的一个因素。任何这种可能的差异都被判断为很小，因为根据对支架和拉伸试样表面的目视检查，观察到表面质量和粗糙度是一致的，同样光滑。这种一致性是意料之中的，因为：（i）支架和拉伸试样是在同一构建中制造的，（ii）支架的构建方向根据使用的支撑腿数量进行了优化，以及（iii）喷砂是在 LPBF 构建后进行的。

有了AM，可以通过涉及多种材料的单一工艺制造组件，而不需要任何连接机构，如螺栓、螺母等。例如，可以用具有不同机械性能的不同材料制造零件，以满足零件内不同位置的不同要求；这些不同的特性可能包括强度、频率、刚度、高周疲劳（HCF）或低周疲劳（LCF）、耐腐蚀性和蠕变特性。使用AM，可以直接根据最终用户的要求设计系统，并且不必因为制造的不可行性而妥协。到目前为止，我们缺乏分析此类结构的方法、工具、标准和标准。，

BT2测试期间前五个故障位置的测试支架图片：（a）第一次故障，（b）第二次故障，（c）第三次故障，以及（d）第四次和第五次故障。

过去，研究人员根据所涉及材料的机械性能来判断复杂结构是合理的，因为他们缺乏客户设计结构的实验曲线和数据、功能强大的计算机、有限元方法以及能够探索和可视化结构内部的检测技术。直到现在，工程师们普遍的做法是在评估结构时，在材料的力学性能之上引入“安全系数系数”。

航空业中的大多数结构失效（>50%）是由于疲劳失效。在航空发动机上，支架用于支撑传感器、控制单元、线束和管道。这些支架通常由钣金或传统加工工艺制成，旨在以最少的材料实现强度和刚度，并且必须满足欧洲航空安全局（EASA）的严格认证要求。然而，这些设计通常未经优化，比初始重量目标重，因此会导致油耗增加和排放。

由于喷气发动机零件具有明确定义的空气动力学形状，因此几乎无法进行拓扑优化，因此其关键设计要求是在多个尺度上进行分层设计集成的能力。到目前为止，喷气发动机设计界的大多数人仍然被传统的思维方式所束缚：大多数工程师仍在争论材料的机械性能，而不是结构本身的性能。即使有了AM，大多数研究人员和工程师仍在研究如何通过制造某种多孔材料而不是多孔结构来改进他们的设计。最流行的多孔材料是晶格材料。为了确定多孔结构，有必要设计每个空隙单元的形状、尺寸、位置和方向。单元胞的概念与多孔结构的概念非常接近。迄今为止，AM中仅使用了蜂窝结构作为分层结构。

应力消除后LPBF Ti-6Al-4V样品的EBSD图像，截面平行于构建方向:(a) IPF Z0图揭示了晶体学取向和跨越多层的先验β晶界，(b)通过PF集的晶体学织构，其中PF =极图，IPF =反极图。

在LPBF工艺中，熔融金属的反复加热和冷却以及随后的快速冷却产生了LPBF Ti-6Al-4V的复杂微观结构。从液相线温度（1670°C）冷却后，熔体开始凝固成β相，β晶粒开始形成。低于β温度（995°C），β相在高冷却速率（>410°C/s）下转变为α'马氏体相，在缓慢冷却速率（<20°C/s）下转变为α相[35]。在LPBF过程中，冷却速率高，通过无扩散/消融转化导致α马氏体相成核。α的马氏体针从这些位置生长，同时在先前β颗粒的边界内和边界，并相互相遇，形成篮形编织类型的微观结构，具有高自由位错密度和/或孪生。

CT扫描结果：（a）扫描体积与发现缺陷的分布，（b）毛孔形状因子的分布。

制作和分析具有地下蜂窝结构的零件有两个挑战。一个是在没有辅助支撑的情况下创建悬垂形状结构的能力。另一个是计算成本的可承受性，这决定了可以为细胞结构构建多详细的模型。

我们的解决方案是创建一个空心球体有限元，而不是由元素组成的球体。与其他类型的现有单元一样，这种空心球有限元具有由其半径、厚度和孔定义的几何规格。由于球体的对称形状，空心球有限单元的本构方程很简单。除了球体具有许多优越的机械性能外，使用球形结构的最重要原因是它不需要AM的辅助支撑。这种解决方案需要全新的理论、方法和工具，以及训练有素的工程师。

拉伸试样TT1断裂表面的SEM显微照片（a）中央粗糙和外唇部分的划分，（b）中央粗糙部分指示孔隙，LOF空隙和准解理刻面，以及（c）显示浅凹坑的中央部分的放大视图。

柱状先β晶粒、α'晶粒和晶界α晶粒（α国标）也会影响LPBF Ti-6Al-4V的延展性。α国标晶粒比α的晶粒更柔软，是损伤积累的主要部位。在拉伸变形时，应变主要定位在α晶粒中，而那些从加载方向取向45°的α晶粒是这种定位的主要位点。α晶粒的边界特别容易产生界面塑性，以适应与周围晶粒/微观结构的应变不相容性。应变定位导致α晶粒内形成空隙，随后导致材料的最终断裂，该断裂是延性和脆性断裂的混合物，其中断裂表面包含凹陷和解理特征。此外，层间出现的微空隙导致层的结合较弱，在拉伸载荷的作用下，这些层打开并随后生长和聚结，导致LPBF Ti-6Al-4V合金的延展性下降。

由于设计领域的颠覆性变化，以及从制造过程的传统约束中获得的缓解，工程师已经发现了许多结构的创新设计。此外，工程师可以主动设计具有期望振动模式形状、失效模式、寿命分布等的结构。基于典型的涡轮风扇喷气发动机，我们估计使用AM可以对发动机带来巨大的改进，并可以提高其效率、安全性、可靠性和成本效益（图2）。

图2 通过AD/AM对喷气发动机的增值改进。图中的绿色块是那些有很大潜力用AD/AM改进的块。

例如，空心风扇叶片（图3）必须满足鸟击要求、频率调谐要求、HCF和LCF要求、偏转要求等。如何以和谐的方式满足所有这些要求是设计工程师的目标。与传统的设计方法不同，无需在空气动力学工程师、结构工程师和制造工程师之间反复传递设计。相反，团队的每个成员现在都可以设计一个“最佳”零件，而无需考虑其他学科的限制，因为可以改变材料和地下微观结构。

图3 风扇叶片设计的当前风扇叶片方法和未来。DB/SPF：扩散粘结/板材超塑性成形。

使用AD和AM，高温、高压和高速涡轮叶片可以比以往任何时候都具有更好的空气动力学性能、传热性能和应力分布；这将最终导致性能和成本方面的优化设计。例如，通过更好的传热效率设计（图4），冷却结构将能够更好地降低热梯度和温度；这将使材料在其允许范围内工作。同时，由于存在较少的材料和较低的热梯度，结构或部件将承受较少的离心力和热约束应力。AD的优点包括：①降低质量和离心力的中空结构；②更好的冷却结构，其降低温度及其梯度以降低热应力和提高效率；③替代单晶合金以降低成本的微结构；和④使用AM代替精密铸造，以确保质量并缩短上市时间。未来，我们可能不需要特殊的高温合金和单晶金属零件的特殊铸造工艺，单晶金属的成本非常昂贵，质量难以保证（图5）。不必关注材料，因为可以安排内部微观结构以降低温度梯度、增强传热、减少质量和应力。

图4 AD/AM用于高压涡轮叶片的更好冷却结构。（a）不同的冷却机制；（b）涡轮叶片冷却结构的发展。

图5 如图所示，3D打印将彻底改变涡轮叶片设计，改变我们对特殊材料的依赖。（a）材料的潜力有限；（b）整体叶片转子的冷却结构。TBC：热障涂层；SX：单晶合金；CMC：陶瓷基复合材料。

据报道，在应变控制的循环测试中，与应力控制的LCF测试相比，由于循环软化引起的裂纹扩展延迟导致更好的疲劳寿命。在循环荷载作用下，位错子结构的演化发生在α/α晶粒内形成低角度边界（LAB）的地方。LAB起源于α相和β相的界面，是一系列边缘或螺杆型位错[9]，逐渐导致空隙成核，生长和聚结，导致循环载荷时断裂。对于变形或应变的材料，从EBSD检查中获得的高KAM值表明高位错密度/高局部应变。而低 KAM 值表明主要变形机制是由于晶界滑动而不是由于亚晶粒/LAB 的形成。

将“LT3”和“LT4”LCF测试的竣工和断裂样品之间的EBSD结果与IPF图和KAM图进行比较。

研究了晶粒尺寸和自由位错密度的演变，以分析它们对循环软化的影响，使用EBSD扫描对接收到的LPBF Ti-6Al-4材料和LCF试样LT3和LT4的纵向切割截面进行（以更高的塑性水平进行测试）。从上图可以看出基线微观结构由子晶粒的均匀分布和KAM密度组成，即位错均匀分布在较大的α晶粒内。这种自由位错密度的增加通常是由于以下因素的组合：（i）易于位错湮灭和（ii）随后的位错恢复。由于LT4试样仅经历了59个周期，而LT3试样则经历了294个周期，因此LT4试样的平均KAM（1.03）低于LT3试样的平均KAM（1.38）。与LT3试样相比，高SR、应力提升特征引发的次级微裂纹、次级裂纹聚结为扩展的初级裂纹以及材料微观结构纹理的可能差异导致LT4试样断裂更快。

然而，许多未解决的问题与AM有关，特别是对于需要应用地下微结构和/或梯度材料的喷气发动机部件。有必要在载荷和结构或材料之间建立一种我们尚不具备的相应的本构关系。因此，传统的分析工具，如有限元法，不能用于分析这种新型结构，无论它是由梯度材料还是地下微结构构成。此外，这种全新结构还没有设计标准，也没有相关的适航规定。

除了上述设计和制造问题，以及对新分析标准和法规的要求，AM制造过程的速度太慢，必须克服。然而，从“减材”到“增材”制造的转变是一场设计和制造的革命，将在我们生活的各个方面挑战人类。那些站在这场新革命前沿的人将改变世界（图6）。

图6 这门新的工程学科面临着材料、力学、数学和物理方面的挑战。AD/AM提供了改变世界的机会。

来源：Additive Design and Manufacturing of Jet Engine Parts. Engineering, doi.org/10.1016/J.ENG.2017.05.017

参考文献：Fluid dynamics and heat transfer of turbomachinery, John Wiley and Sons Ltd., New York (1996);