3D打印悄悄改变的叶片世界

发动机叶片是一类典型的自由曲面零件，加工这类零件时都有一个特点：薄，加工时易变形，并且材质通常为不锈钢、蒙乃尔合金、INCONEL、钛和镍为基础的难加工合金材料，更增添了加工的困难度。

还有一种加工方式是叶片和整体叶盘的整体式加工，国际上，ACAM-亚琛增材制造中心的研发成员，来自亚琛工业大学数字化增材生产DAP的涡轮机械专家与Fraunhofer弗劳恩霍夫生产技术研究所IPT合作一体化叶盘由镍基超级合金IN 718制成，研究人员成功地为叶盘开发了LPBF制造工艺，结果，他们以接近最终形状的轮廓制造了叶盘，尤其是叶片轮廓，从而大大减少了要去除的材料。

本期，3D科学谷与大家一起来领略，发动机叶片与叶轮，国内发展的最新情况。

3D打印悄悄改变的叶片世界

l 中国航发商用航空发动机

- 带胞元结构的静子导向叶片的增材制造

安装边的内部热膨胀采用胞元结构设计，能够等效衬垫结构工作状态。但采用间隙配合，在冷态易于安装，工作温度下膨胀压紧。通过在安装边胞元结构内部填充合适的热膨胀系数更大的材料，能够实现热膨胀变形能够达到预期效果，以及应力水平在可控范围内。

- 抗冲击增强型涡轮发动机风扇叶片

基于增材制造可以多种材料融合、内部结构形式设计灵活的特点，可以在最大限度的减轻叶片重量的前提下，通过叶片前缘加强结构设计，有效提高叶片的抗冲击能力。根据中国航发商用航空发动机的专利CN105604978B，中国航发商用航空发动机开发了抗冲击增强型涡轮发动机风扇叶片，包括叶片本体和前缘增强结构。

叶片本体和前缘增强结构是由增材制造工艺一体成型的一体件，叶片本体为金属叶片，前缘增强结构的材料采用高强金属材料。其中，前缘增强结构包括在叶片本体的前缘侧沿整个纵向长度方向向外扩展的弹性的层状结构，前缘增强结构和金属叶片的前缘之间采用对金属叶片的材料和前缘增强结构都具有亲和性的中间材料进行过渡。

视频：GE9X发动机

l  中国航发北京航空材料研究院

-  整体叶盘

根据中国航发北京航空材料研究院的专利CN107138924A，目前国内外双金属双性能钛合金整体叶盘制造方法有线性摩擦焊、扩散焊、热等静压扩散焊或送粉式激光增材制造方法。其中，线性摩擦焊工艺对设备的依赖程度很大，焊接的效果、精度很大程度上取决于设备的能力，且焊接工装复杂，成本高。扩散焊方法面临加压困难、接头一致性控制及无损检测等技术难题，且整体叶盘结构复杂，需采用特殊的加压手段，工艺实现起来技术难度大。热等静压扩散焊技术成熟度相对较低，需解决可靠封焊或包套，需采取特殊工艺措施确保热等静压过程的可靠实施。另外，由于扩散焊时结构需整体经历焊接热循环过程，还需解决焊接热循环与材料的热处理制度匹配问题，避免热循环可能对基体材料造成的不良影响。

这与国际上ACAM亚琛增材制造中心的跨学科团队开发的整体叶盘所使用的技术不同，ACAM为叶盘开发了LPBF-基于粉末床的增材制造工艺，此外，他们应用了点阵晶格结构来支撑构建过程中的部件，使得后期需要去除的材料显著减少，并且避免了铣削过程中的振动。那些点阵晶格结构由于密度低而可以不费力地去除。

国内与国际这两种曲径通幽的思路为增材制造整体叶盘铺垫了一个持续探索的路径。

l  南方科技大学

- 航空发动机风扇叶片再制造

最后，值得重视的是正如魔猴网在《3D打印与工业制造》一书所提到的，“3D 打印并非是一座孤岛，而必须与其他传统制造工艺相融合，才能成为创造制造业附加值的“利器”。在工艺融合方面，可以借鉴的经验包括GF加工方案提供的广泛的产品组合，从电加工(EDM)、铣床、激光纹理加工、增材制造等制造技术组合提供一站式的解决方案，从而提供生产的灵活性，降低复杂性，降低总体成本（TCO）。另外一家雷尼绍集成了完整的工艺链解决方案，还包括其独具特色的机内测头测量、对刀和Equator比对测量等等， 这些技术必将提升工厂的自动化水平，让制造企业当下即可拥有满足“未来工厂”要求的高效精密制造能力。

叶片内部

西门子3D打印的燃气涡轮机叶片

真正理解了3D打印的价值后，我们发现国内企业对待这一技术的态度已经发生了巨大的变化。值得欣喜的是国内这些企业和研究结构已经清晰的看到3D打印重塑价值链产业链的颠覆潜力，相信在国际和国内硬件与软件解决方案各种技术的充分融合交互下，我国的制造将开辟出一条独具特色的发展之路，为人类社会造福。