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3D打印让国产发动机更进一步

高性能金属构件激光增材制造( 俗称3D 打印)技术,是一种将“高性能材料制备”与复杂金属零件近净成形有机融为一体的数字化、绿色、变革性先进制造新技术。与传统的锻压+机械加工、锻造+焊接等大型金属构件制造技术相比,具有制造流程短,综合力学性能优异,材料利用率高,生产成本较为低廉等一系列优点,在某些方面甚至可代替价格极其昂贵的大型锻铸工业装备,近20年来已成为国际材料加工工程与先进制造技术学科交叉领域的前沿研究热点。美国政府和工业界甚至将3D打印技术列为引发新一轮工业革命的21世纪关键技术。在我国,3D打印技术也不断获得重大突破,取得了一系列具有国际领先水平的重大成果。

3D打印让国产发动机更进一步

例如北京航空航天大学大型金属构件增材制造国家工程实验室在王华明院士团队率领下,经20余年的不懈研究,在国际上率先突破了飞机钛合金等大型关键主承力构件激光增材制造工艺、成套装备、内部质量和力学性能控制及工程应用关键技术。自2005 年以来,激光增材制造钛合金飞机机身主承力框、翼身根肋、起落架等大型整体关键承力构件,在国产海空军新一代战斗机,大型运输机、运载火箭等航空航天重大装备研制和生产中获得了广泛应用。最新消息称,已研制成功具有原创核心技术、世界最大的激光增材制造设备(成形能力达7米×4米×3.5米),以及世界最大的16平方米3D打印(某大型轰炸机)某发动机钛合金加强框。2016年1月18日,王华明院士主持的“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”项目获得国家技术发明一等奖。

3D打印让国产发动机更进一步

军事观察者根据国内外公开资料推测,王华明院士在我国新一代重型和中型隐身战斗机用发动机关键部件:高温钛合金双性能整体叶盘也获得了重大进展,采用了激光快速成形双相钛合金“ 特种热处理”新工艺, 激光增材制造出了具有梯度组织和梯度性能的先进航空发动机钛合金整体叶盘,具有极为优异的综合力学性能。新一代高性能军用飞机的优异作战性能强烈依赖于先进高推重比航空发动机的应用,而整体叶盘技术将发动机叶片、轮盘等零件集成设计为一个整体构件,可大幅减少零件数量,减轻结构质量,从而提高发动机的推重比和使用可靠性。有资料称较与传统的榫齿连接结构相比,每个整体叶盘可减重约30%。

3D打印让国产发动机更进一步

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国外第三代航空发动机的最新改型,如F414,F110-GE-129G,F100-PW-229A发动机均部分改用了整体叶盘,大幅提高了发动机推重比;第四代发动机如EJ200,F119,F135的风扇和高压压气机则全部使用了整体叶盘制造技术。随着整体叶盘结构设计和加工能力的提升及工程应用经验的积累,其在发动机中的应用技术不断发展成熟。传统钛合金风扇和高压压气机转子采用榫齿连接结构,叶片和盘分开制造,可以灵活选用不同材料或同一材料不同组织状态,这是因为叶片需要高的强度、塑性和高周疲劳强度性;而盘片则需要优异的耐高温性、低周疲劳性及损伤容限性,两者性能要求截然不同。整体叶盘如果采用同一种组织状态,往往难以满足叶片和盘不同的受力和受热条件要求,在一定程度上各自损失了一些性能。为了挖掘整体叶盘的最大性能潜力,必须发展双性能整体叶盘技术。

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目前双性能整体叶盘技术的制造方法主要采用是焊接法,通过线性摩擦焊等技术将不同性能的叶片和盘片焊接为一个整体。然而焊接法的最大问题是连接区域往往会成为整个构件的薄弱环节,这对于强调高可靠性和长寿命的航空发动机高速转动部件来说是个重要隐患。随着增材制造技术的发展和不断成熟,人们提出直接在盘体上增材生长出叶片,通过同轴送粉激光熔覆方法,在钛合金盘体边缘预先加工出凸台,逐层堆积成钛合金叶片。

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北航王华明院士团队经长期研究发现,钛合金激光增材制造过程中移动熔池凝固存在池底外延生长和熔池表面异质形核两种主导凝固方式,通过对熔池凝固两种主要方式的主动控制即可实现对增材制造金属构件凝固晶粒形态和力学性能的主动控制。第一种熔池方式可使构件获得定向生长全柱状晶组织,其具有优异的高温持久蠕变性能,第二种方式可使构件获得各向同性力学性能优异的等轴晶凝固组织。这两种方式通过人为交替排列,可获得“钢筋混凝土状”混合凝固晶粒组织。这种混合凝固晶粒组织迄今未见国内外报道、传统冶金锻铸技术也无法制备。该技术实现了整体叶盘叶片和盘体组织性能的精确控制,特别是整体叶盘的盘体到叶片的关键过渡区,实现了组织性能的平稳渐进过渡,达到了航空发动机专家所希望的要求。

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北航王华明院士团队还对激光增材制造双性能整体叶盘技术后续热处理技术进行了深入研究,经特殊热处理后其塑性变形抗力尤其是抵抗裂纹扩展能力极其优异,与传统锻造钛合金相比,其疲劳裂纹扩展门槛值提高了61%,而疲劳裂纹扩展速率降低一个数量级以上。随着激光增材制造双性能整体风扇和高压压气机叶盘技术的逐渐成熟,高温合金涡轮盘增材制造技术有可能成为王华明院士团队下一个重点攻克的技术难点,有望为我国航空发动机技术赶超发达国家做出新的贡献。

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