数字化、新材料、3D打印推动航空发动机创新

国际金属加工网 2018年04月16日


根据中国航空报,大数据应用加速、3D打印技术、石墨烯技术、陶瓷基复合材料等,正在推动航空发动机创新。此外,混合电推进技术在航空领域的应用初露锋芒。

--大数据应用加速

大数据的应用不仅仅依靠数据的体量大,只有通过有效的数据分析才能获取深入的、有价值的、智能的信息。可视化分析、数据挖掘算法、模型预测分析、数据质量和数据管理等大数据分析方法均已成为决定数据价值的关键因素。

2017年,罗罗宣布正在建立R2数据实验室,期望通过使用人工智能,机器学习和新的分析手段进一步对数据进行“财富”挖掘,实现成本节约。普惠在4月推出了MRO(航空发动机维护、维修和大修)服务平台EngineWise,旨在利用大数据分析为全球运营商提供定制化个性化MRO服务支持。Predix是GE推出的全球首个专为工业数据分析开发的云服务平台。2017年9月,GE启动了首届“Predix星火计划”,10月底推出了数字工业进化指数。中国航发也进行了积极的探索,黎阳建成了机匣分厂数字化制造系统,以及结构件分厂作动筒数字化生产线,实现了提产增质降耗的“智慧转身”。

视频:GE的精彩工厂

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通过传感器来精确控制零件的生产情况、监测设备的健康情况以及实现制造完成后飞机空中运行的情况监测。GE的精彩工厂的设备和电脑相互“沟通交流”,共享信息,并且为保证质量和预防设备故障采取措施。工厂的生产线通过数字化的方式与供应商、服务商、物流系统相连接用来优化生产。而这一切正是Predix平台在背后发生作用。

图片:GE在增材制造领域的里程碑

通过为机器配备传感器并实时分析数据,GE可以确定机器何时出现故障。生产线上的传感器将数据提供给GE基于云的Predix平台。这有助于将车间计划外停机时间降低20%,并提高整体产品的可靠性,降低生产成本。除了先进的工艺和工具之外,还有一个数字线程贯穿工厂,横跨公司,垂直于整个价值链,在整个制造生命周期中提供了产品的综合价值流视图。

图片:GE的Predix平台

--增材制造技术颠覆创新

增材制造(又称3D打印)是以数字模型为基础,将材料逐层堆积制造出实体物品的新兴制造技术,将对传统的工艺流程、生产线、工厂模式、产业链组合等产生深刻影响。增材制造让零件设计更加自由,为航空发动机关键技术突破和性能指标提升带来更多可能性。

我国已将增材制造作为《中国制造2025》发展重点,2017年,工信部等十二部门联合制定并印发了《行动计划》,要求到2020年,增材制造产业年销售收入超过200亿元,年均增速在30%以上。

根据中国航空报,2017年,GE宣布正在研制世界上最大的激光粉末增材制造设备。西门子完成了世界上首个3D打印燃气轮机涡轮叶片及其全面测试。中国航发商发已完成增材制造微型涡喷发动机制造。中国航发航材院牵头的国家重点基础材料技术提升与产业化项目“超细3D打印有色/难熔金属球形粉末制备技术”启动。截至目前,中国航发和其他国内科研机构先后针对涡轮气冷叶片、燃油组件、壳体、封严块、喷嘴、整体叶盘、整体导向器、轴承座、叶栅等零件开展了增材制造技术探索研究,取得了积极进展。

视频:如果你能3D打印叶片,你几乎能制造任何东西,来源西门子

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2017年11月14日,GE超大金属3D打印设备于德国法兰克福Formnext展会上隆重发布。该设备是ATLAS项目研发出来的,ATLAS是GE大型增材制造系统项目(Additive Technology Large Area System)的简称。作为一个名字还没有正式定义的一台大型设备,可以3D打印直径为一米的航空零件,适合制造喷气发动机结构部件以及用于单通道飞机的零件,也可用于汽车电力、石油和天然气行业。

此外,德国Fraunhofer在开发的第二代粉末床金属熔融3D打印技术。可扩展性、适合于大批量生产的特点成为基于粉末床的金属3D打印技术正在发生的升级趋势。

而2017年,西门子不仅仅完成了3D打印叶片的测试,还正式将3D打印作为叶片的生产技术。叶片的加工技术来自与西门子收购的Materials Solutions公司,通过实现对材料在加工过程中的控制,Materials Solutions发展了自己的核心竞争力:对诸如叶片这样的高温合金的加工能力,不仅是性能优越,而且其几何形状也是通过传统加工方式无法实现的。

--材料技术不断取得突破

航空发达国家都高度重视发动机材料技术的发展。高温合金仍将是高温涡轮部件的关键技术之一,陶瓷基复合材料(CMC)高温部件应用也进一步深入,GE预测在未来10年内发动机中陶瓷基复合材料的应用量将增加10倍。大数据、虚拟仿真等计算机技术的应用将有效缩短航空发动机材料研制周期。

石墨烯被誉为已知的世界上最薄、最坚硬、导热性及导电性最好的纳米材料。高性能石墨烯复合材料的出现为增强航空发动机材料力学性能、热学性能、耐腐蚀性能等综合性能的提升提供了更多途径。例如,石墨烯加入到陶瓷基体后可以大幅提高陶瓷基复合材料的机械性能,金属基体引入石墨烯也可以提高金属基体复合材料的物理性能、热学性能、电学性能等。

2017年,俄罗斯用最新的VV753粉末镍基高温合金制造出了具有可变结构的涡轮盘。GE完成了GE9X发动机陶瓷基复合材料部件的第二阶段测试。日本研发出可快速自愈龟裂的新型陶瓷材料。美国先进陶瓷协会公开正在开发的1482摄氏度CMC路线图,探索更耐高温和具有更高损伤容限的下一代CMC。中国航发已开创了40多个石墨烯创新应用的研究方向,多项成果在航空装备和国防装备上验证、考核、小批应用。

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通过3D打印复合材料方面,我国的南京航空航天大学在这方面独树一帜。南京航空航天大学探索出一种基于选择性激光熔融技术成形的铝基纳米复合材料,用于激光增材技术领域,有效的解决铝基纳米复合材料在激光增材过程中工艺性能与力学性能不匹配、增强颗粒分布不均匀以及陶瓷相与基材相之间润湿性较差的问题,使得所获得的产品具备良好的界面结合以及优异的力学性能。

在陶瓷颗粒增强镍基高温合金方面,思莱姆智能科技的纳米陶瓷颗粒增强镍基高温合金制备方法采用的是选择性激光融化技术3D打印技术,克服了传统制备方法的局限, 改善了颗粒团聚和界面结合问题,并且可以加工成复杂零件的形状,而无需工装夹具或模具的支持,同时在这个过程中, 材料利用率高。

此外,华中科技大学也在通过金属基陶瓷相增强合金工具钢粉末制备技术方面的突破。

石墨烯方面,我国复旦大学在高浓度石墨烯规模化水相制备方面取得突破,可用于3D打印石墨烯气凝胶。

--混合电推进技术方兴未艾

在燃气涡轮动力依然占据主流、电推进技术尚未成熟的今天,集电推进与燃气涡轮之所长的分布式混合电推进系统初露锋芒。

分布式混合电推进系统,是指通过传统燃气涡轮发动机带动发电机发电,为分布在机翼或机身上的多个电动机/风扇提供电力,并由电动机驱动风扇/螺旋桨提供全部或绝大部分推力的一种新概念推进系统,能大幅提高发动机等效涵道比,在减轻结构重量,降低油耗、噪声和污染排放方面具有优势。

2017年7月,在亚特兰大举行的美国航空航天协会(AIAA)推进与能源论坛上,美国航空航天局(NASA)和4家主要发动机制造商中的3家展示了空客A320/波音737同级别客机尾部嵌入风扇的相似设计概念。NASA提出STARC-ABL(带后部边界层推进的单通道涡轮电飞机)设计概念。11月,空客、罗罗和西门子宣布将合作开发一款E-FanX混合动力电动技术验证机,预计在经过全面的地面测试后,这款验证机将在2020年进行首飞。

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NASA对外披露的正在研发的X-57全电动飞机,这台飞机拥有14台发动机,最大航程约100英里(约161公里),飞行时间为一小时甚至更短。一旦电池技术得到突破性的发展,全电动飞机飞行里程将得到显著提升。如果这些全电动飞机获得成功,人们的空中旅行将更加高效和环保。

以色列的Eviation Aircraft公司正在进行全电动通勤飞机的开发,全电动飞机在短距离飞行中的应用,将在未来解决伦敦、北京、巴黎等大都市的人们在上下班时段的交通出行问题。

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