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3D打印技术在航空航天静态和动态发动机组件中的应用案例

国际金属加工网 2021年12月14日

飞机和航天器火箭发动机中的静态和旋转部件都受到极端性能要求和恶劣环境的影响,如高温、高压、腐蚀等条件。这些性能往往要求零件具备高度复杂的形状并由特殊材料制造,如压缩机叶片、涡轮叶片、导流器和叶轮等部件使用增材制造技术可以显著提高其性能。随着复杂性的增加,传统工艺的制造能力受到约束。而增材制造技术使设计师能够从使用传统制造技术常见的几何约束中获得更多的自由,从而允许设计更复杂的最终组件。

通用电气波音新型777X客机设计的下一代GE9X发动机,是有史以来最强大的商用喷气发动机。GE9X包含大量直接集成到发动机核心结构中的增材制造部件,其中228个低压涡轮叶片采用EBM工艺和TiAl合金制造,其重量是航空用传统镍基合金涡轮叶片的一半。对于GE9X发动机,这意味着与它的前身GE90相比,油耗降低了10%。

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3D打印的GE9X TiAl合金叶片

西门子的一个案例研究强调了通过增材制造实现涡轮机械零件的可制造性。其在2009年对该技术进行了初始投资,2013年在燃气轮机中安装了第一个3D打印组件,2017年成功打印并安装了包含内部流道的燃机透平叶片。之后,他们继续评估使用3D打印技术(如L-PBF和EB-PBF)制造涡轮压缩机闭式径向叶轮实现商业应用的可行性。依靠成功的测试和监管部门的批准,径向叶轮在提高涡轮机械效率方面显示出了重要效果。虽然这些不是直接的航空航天示例,但它们很好地说明了高性能组件的制造潜力。

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将近3000零件优化为68个3D打印的西门子燃气轮机演示器

发动机制造商Pratt&Whitney在过去25年中使用3D打印技术生产了超过10万个原型部件,目前为PW1500G发动机生产压气机定子叶片和环形同步支架,前者用于引导气流通过压气机。这些零件将用于庞巴迪C系列飞机发动机的制造。

晶格结构属于典型的轻量化设计手段,因此也引起了涡轮机械领域的兴趣。最近的一项研究表明,在压缩机叶轮上应用内部晶格结构可以减少质量和转动惯量。使用3D打印和Ti-6Al-4V制造的内部包含晶格结构的叶轮,可以通过减少打印过程中积累的残余应力来提高叶轮的性能。

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包含晶格结构的3D打印叶轮

大型现代飞机发动机通常由数以万计的部件组成,虽然并非所有部件都可以通过3D打印技术制造,但除了核心涡轮和压气机叶片之外的许多部件都可以合理地使用该技术。霍尼韦尔航空航天公司完成了对其HTF7000系列飞机发动机应用的各种涡轮机械部件的研究。该研究不仅详细介绍了3D打印的高压涡轮应用,还详细介绍了机载喷射器、第二级高压涡轮喷嘴、雾化器护罩、进气增压耙和发动机支架的设计。这表明大量飞机发动机部件有可能使用3D打印制造。

航空航天领域最著名的3D打印应用仍然是通用电气LEAP发动机燃料喷嘴。截至目前,该喷嘴已经生产超过了10万个。由钴铬合金3D打印的燃料喷嘴已被安装于GE多种发动机上面。该应用取得成功后,GE在新的GE9X发动机上使用了数量更多的3D打印组件。GE9X发动机在七个多部件组件中拥有304个3D打印零件,因此,GE9X系列发动机上超过三分之一的部件是使用增材制造技术生产的。该发动机配备了28个LEAP发动机燃料喷嘴、228个低压涡轮(LPT)叶片、一个T25传感器外壳、一个燃烧混合器、8个气旋诱导器和一个热交换器,所有这些都使用3D打印技术制造。除LPT叶片和热交换器外,所有这些部件均采用L-PBF工艺由钴铬(Co-Cr)合金制成。

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GE LEAP燃油喷嘴

能量沉积技术多被被用于制造大型金属结构。NASA使用该技术制造了重达2吨、高约2.8米、直径达2.43米的庞大火箭喷管,与传统的制造技术相比,3D打印使加工时间减少了50%以上。Relativity space则更加狂热,其开发了一种高度约9米的“Stargate”3D打印机,能够打印火箭燃料箱和发动机,借助一体化制造技术,它们所开发的火箭零件数量仅是同类火箭零件数量的1/100。

3D打印技术还被广泛用于修复损坏的组件,这可以显著节省航空航天应用中常见的昂贵组件的维护和制造成本,还可以减少对备件库存的要求以及对新零件制造前期的投资。进一步的研究表明,与传统方法相比,通过3D打印进行零件修复对环境造成的影响也显著降低。恢复整体叶片转子(也称为整体叶盘)的结构完整性可提供成本效益,这些部件的制造成本可能高达数万甚至数十万美元。借助3D打印技术修复的叶盘,通过旋转和低周疲劳测试,显示出良好的冶金、拉伸和侵蚀质量,使其能够获得认证。

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使用LENS修复过程,(A)LENS系统修复过程(B)前缘修复后的T700叶盘(C)完成后修复的叶盘

NASA已经在多种应用中证明了3D打印复杂涡轮机械零件的可用性。集成有3D打印叶轮、泵蜗壳、叶盘、涡轮定子、出口导向叶片和喷嘴的火箭发动机涡轮泵已经成功进行了验证。该部件的零件数量相比传统制造方法减少了45%,并完成了转速超过 90000 转/分钟的旋转和发动机测试。值得注意的是,这些3D打印组件需要改进工艺,包括表面处理、材料特性、构建过程中支撑结构的应用以及尺寸公差等。

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NASA使用3D打印技术制造的涡轮泵

END

航空航天是当今世界科技强国竞相发展的重点方向之一,其发展离不开兼具轻量化、难加工、高性能等特征的金属构件。激光增材制造技术为高性能金属构件的设计与制造开辟了新的工艺途径,可解决航空航天等领域发展过程中对材料、结构、工艺、性能及应用等提出的新挑战。

增材制造技术在航空航天动静态组件上的成功应用,已经改变了该领域零部件传统的设计思路,它所带来的效益提升是空前的,已发展成为提升航空航天设计与制造能力的一项关键核心技术。

(3D打印技术参考)

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