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

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。

△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，在应用途径上，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。