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金属3D打印在航天领域的应用

日期: 2020-03-31
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金属3D打印在航天领域获得广泛的应用,特别是发动机领域,但是还处于起步阶段。基于下面几个优点,它受到大家的普遍关注:

一是降低成本,因为材料利用率提高,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。

三是快速迭代,只需要更换3D模型就行,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。

金属3D打印在航天领域的应用

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。

3D打印航空发动机应用存在问题与挑战

增材制造在航空发动机上的应用目前存在一些问题。

第1,技术要求方面不均一,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2,增材制造粉末工艺检测全链条基础实验还不充分,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3,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4,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。

应用前景和展望

第1,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2,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。在难度系数比较小的,目前0—45这个阶段,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,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,需要引入增材制造新的工艺方法。

第3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4,进一步扩展增材制造在航空发动机上应用面。结合国外的应用案例,加上对增材制造技术的特点分析,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,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。

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