飛機和航天器火箭發(fā)動機中的靜態(tài)和旋轉(zhuǎn)部件都受到極端性能要求和惡劣環(huán)境的影響，如高溫、高壓、腐蝕等條件。這些性能往往要求零件具備高度復雜的形狀并由特殊材料制造，如壓縮機葉片、渦輪葉片、導流器和葉輪等部件使用增材制造技術可以顯著提高其性能。隨著復雜性的增加，傳統(tǒng)工藝的制造能力受到約束。而增材制造技術使設計師能夠從使用傳統(tǒng)制造技術常見的幾何約束中獲得更多的自由，從而允許設計更復雜的最終組件。

通用電氣波音新型777X客機設計的下一代GE9X發(fā)動機，是有史以來最強大的商用噴氣發(fā)動機。GE9X包含大量直接集成到發(fā)動機核心結(jié)構(gòu)中的增材制造部件，其中228個低壓渦輪葉片采用EBM工藝和TiAl合金制造，其重量是航空用傳統(tǒng)鎳基合金渦輪葉片的一半。對于GE9X發(fā)動機，這意味著與它的前身GE90相比，油耗降低了10%。

3D打印的GE9X TiAl合金葉片

西門子的一個案例研究強調(diào)了通過增材制造實現(xiàn)渦輪機械零件的可制造性。其在2009年對該技術進行了初始投資，2013年在燃氣輪機中安裝了第一個3D打印組件，2017年成功打印并安裝了包含內(nèi)部流道的燃機透平葉片。之后，他們繼續(xù)評估使用3D打印技術（如L-PBF和EB-PBF）制造渦輪壓縮機閉式徑向葉輪實現(xiàn)商業(yè)應用的可行性。依靠成功的測試和監(jiān)管部門的批準，徑向葉輪在提高渦輪機械效率方面顯示出了重要效果。雖然這些不是直接的航空航天示例，但它們很好地說明了高性能組件的制造潛力。

將近3000零件優(yōu)化為68個3D打印的西門子燃氣輪機演示器

發(fā)動機制造商Pratt&Whitney在過去25年中使用3D打印技術生產(chǎn)了超過10萬個原型部件，目前為PW1500G發(fā)動機生產(chǎn)壓氣機定子葉片和環(huán)形同步支架，前者用于引導氣流通過壓氣機。這些零件將用于龐巴迪C系列飛機發(fā)動機的制造。

晶格結(jié)構(gòu)屬于典型的輕量化設計手段，因此也引起了渦輪機械領域的興趣。最近的一項研究表明，在壓縮機葉輪上應用內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)可以減少質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量。使用3D打印和Ti-6Al-4V制造的內(nèi)部包含晶格結(jié)構(gòu)的葉輪，可以通過減少打印過程中積累的殘余應力來提高葉輪的性能。

包含晶格結(jié)構(gòu)的3D打印葉輪

大型現(xiàn)代飛機發(fā)動機通常由數(shù)以萬計的部件組成，雖然并非所有部件都可以通過3D打印技術制造，但除了核心渦輪和壓氣機葉片之外的許多部件都可以合理地使用該技術?；裟犴f爾航空航天公司完成了對其HTF7000系列飛機發(fā)動機應用的各種渦輪機械部件的研究。該研究不僅詳細介紹了3D打印的高壓渦輪應用，還詳細介紹了機載噴射器、第二級高壓渦輪噴嘴、霧化器護罩、進氣增壓耙和發(fā)動機支架的設計。這表明大量飛機發(fā)動機部件有可能使用3D打印制造。

航空航天領域最著名的3D打印應用仍然是通用電氣LEAP發(fā)動機燃料噴嘴。截至目前，該噴嘴已經(jīng)生產(chǎn)超過了10萬個。由鈷鉻合金3D打印的燃料噴嘴已被安裝于GE多種發(fā)動機上面。該應用取得成功后，GE在新的GE9X發(fā)動機上使用了數(shù)量更多的3D打印組件。GE9X發(fā)動機在七個多部件組件中擁有304個3D打印零件，因此，GE9X系列發(fā)動機上超過三分之一的部件是使用增材制造技術生產(chǎn)的。該發(fā)動機配備了28個LEAP發(fā)動機燃料噴嘴、228個低壓渦輪（LPT）葉片、一個T25傳感器外殼、一個燃燒混合器、8個氣旋誘導器和一個熱交換器，所有這些都使用3D打印技術制造。除LPT葉片和熱交換器外，所有這些部件均采用L-PBF工藝由鈷鉻(Co-Cr)合金制成。

GE LEAP燃油噴嘴

能量沉積技術多被被用于制造大型金屬結(jié)構(gòu)。NASA使用該技術制造了重達2噸、高約2.8米、直徑達2.43米的龐大火箭噴管，與傳統(tǒng)的制造技術相比，3D打印使加工時間減少了50%以上。Relativity space則更加狂熱，其開發(fā)了一種高度約9米的“Stargate”3D打印機，能夠打印火箭燃料箱和發(fā)動機，借助一體化制造技術，它們所開發(fā)的火箭零件數(shù)量僅是同類火箭零件數(shù)量的1/100。

3D打印技術還被廣泛用于修復損壞的組件，這可以顯著節(jié)省航空航天應用中常見的昂貴組件的維護和制造成本，還可以減少對備件庫存的要求以及對新零件制造前期的投資。進一步的研究表明，與傳統(tǒng)方法相比，通過3D打印進行零件修復對環(huán)境造成的影響也顯著降低?；謴驼w葉片轉(zhuǎn)子（也稱為整體葉盤）的結(jié)構(gòu)完整性可提供成本效益，這些部件的制造成本可能高達數(shù)萬甚至數(shù)十萬美元。借助3D打印技術修復的葉盤，通過旋轉(zhuǎn)和低周疲勞測試，顯示出良好的冶金、拉伸和侵蝕質(zhì)量，使其能夠獲得認證。

使用LENS修復過程，（A）LENS系統(tǒng)修復過程（B）前緣修復后的T700葉盤（C）完成后修復的葉盤

NASA已經(jīng)在多種應用中證明了3D打印復雜渦輪機械零件的可用性。集成有3D打印葉輪、泵蝸殼、葉盤、渦輪定子、出口導向葉片和噴嘴的火箭發(fā)動機渦輪泵已經(jīng)成功進行了驗證。該部件的零件數(shù)量相比傳統(tǒng)制造方法減少了45%，并完成了轉(zhuǎn)速超過 90000 轉(zhuǎn)/分鐘的旋轉(zhuǎn)和發(fā)動機測試。值得注意的是，這些3D打印組件需要改進工藝，包括表面處理、材料特性、構(gòu)建過程中支撐結(jié)構(gòu)的應用以及尺寸公差等。

NASA使用3D打印技術制造的渦輪泵

END

航空航天是當今世界科技強國競相發(fā)展的重點方向之一，其發(fā)展離不開兼具輕量化、難加工、高性能等特征的金屬構(gòu)件。激光增材制造技術為高性能金屬構(gòu)件的設計與制造開辟了新的工藝途徑，可解決航空航天等領域發(fā)展過程中對材料、結(jié)構(gòu)、工藝、性能及應用等提出的新挑戰(zhàn)。

增材制造技術在航空航天動靜態(tài)組件上的成功應用，已經(jīng)改變了該領域零部件傳統(tǒng)的設計思路，它所帶來的效益提升是空前的，已發(fā)展成為提升航空航天設計與制造能力的一項關鍵核心技術。

（3D打印技術參考）

聲明：本網(wǎng)站所收集的部分公開資料來源于互聯(lián)網(wǎng)，轉(zhuǎn)載的目的在于傳遞更多信息及用于網(wǎng)絡分享，并不代表本站贊同其觀點和對其真實性負責，也不構(gòu)成任何其他建議。本站部分作品是由網(wǎng)友自主投稿和發(fā)布、編輯整理上傳，對此類作品本站僅提供交流平臺，不為其版權(quán)負責。如果您發(fā)現(xiàn)網(wǎng)站上所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題，請第一時間告知，我們將根據(jù)您提供的證明材料確認版權(quán)并按國家標準支付稿酬或立即刪除內(nèi)容，以保證您的權(quán)益！聯(lián)系電話：010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn。