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增材制造全面应用发动机?先解决这几点再说

增材制造技术诞生于20世纪80年代末,被认为是制造技术的一次革命性突破。增材制造从三维模型出发实现零件的直接近净成形制造,主要优势体现在所制造产品的复杂程度、生产制造的范围、生产效率、满足客户个性化需求等方面。

增材制造技术在航空发动机中的应用

结合目前已有的技术成果以及航空发动机零部件的特点,增材制造技术在航空发动机中的应用主要有以下几方面:(1)成形传统工艺制造难度大的零件;(2)制备长生产准备周期零件,通过减少工装,缩短制造周期,降低制造成本;(3)制备高成本材料零件,提高材料利用率以降低原材料成本;(4)高成本发动机零件维修;(5)结合拓扑优化实现减重以及提高性能(冷却性能等);(6)整体设计零件,增加产品可靠性;(7)异种材料增材制造;(8)发动机研制过程中的快速试制响应;(9)打印树脂模型进行发动机模拟装配等。

对于航空发动机研制过程,增材制造技术的优势在于能够实现更为复杂结构零件的制造。例如,采用增材制造技术制备的发动机涡轮叶片,能够实现十分复杂的内腔结构,这是传统制造工艺很难实现的。对于发动机实际零件的制作主要是金属零件的制备,应用包括零件铸造和金属零件直接打印以及构件修复。

航空发动机零件增材制造技术的关键问题

要实现增材制造技术在航空发动机中的工程化应用,亟需解决原材料制备、成形工艺过程管控、成形零件质量控制、评估以及工程化标准等若干问题。

1航空发动机零件增材制造用金属材料

粉末材料是目前最常用的金属类增材制造用材料。对于金属增材制造技术来说,金属粉末的质量显著地影响着最终产品的质量。研究表明,并非所有的金属粉末都适用于增材制造成形。在相应的热力学和动力学规律作用下,有些粉末的成形易伴随球化、空隙、裂纹等缺陷。因此,需要通过分析试验来确定航空发动机零件材料与各种增材制造技术的匹配性。由于航空发动机零部件的特殊工作环境及性能要求,一般进行增材制造所选用的粉末材料需要专门制备,价格昂贵,导致增材制造零件的材料成本较高,在一定程度上阻碍了增材制造技术在航空发动机中的应用。目前,国内增材制造所选用的粉末材料大多依赖于进口渠道,如何制备出能够满足发动机应用要求的低成本粉末材料,已经得到国内材料行业及增材制造领域的重视。

另外,目前国内还没有形成成熟的评价方法或标准来判定粉末材料与增材制造工艺的适用性,增材制造用粉末的相关评价方法及指标需要进一步深入的研究与思考。国内的金属粉末材料通常用于粉末冶金工业,针对粉末冶金工艺的技术特点,已经发展出了一套比较完善的粉末评价方法及标准,有相对比较完善的指标可用来衡量粉体材料的性能,如粒径、比表面积、粒度分布、粉体密度、流速、松装密度、孔隙率等。其中粉末的流动性、振实密度等指标是衡

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