發(fā)動(dòng)機(jī)葉片是一類典型的自由曲面零件，加工這類零件時(shí)都有一個(gè)特點(diǎn)：薄，加工時(shí)易變形，并且材質(zhì)通常為不銹鋼、蒙乃爾合金、INCONEL、鈦和鎳為基礎(chǔ)的難加工合金材料，更增添了加工的困難度。

還有一種加工方式是葉片和整體葉盤的整體式加工，國(guó)際上，ACAM-亞琛增材制造中心的研發(fā)成員，來(lái)自亞琛工業(yè)大學(xué)數(shù)字化增材生產(chǎn)DAP的渦輪機(jī)械專家與Fraunhofer弗勞恩霍夫生產(chǎn)技術(shù)研究所IPT合作一體化葉盤由鎳基超級(jí)合金IN 718制成，研究人員成功地為葉盤開(kāi)發(fā)了LPBF制造工藝，結(jié)果，他們以接近最終形狀的輪廓制造了葉盤，尤其是葉片輪廓，從而大大減少了要去除的材料。

本期，3D科學(xué)谷與大家一起來(lái)領(lǐng)略，發(fā)動(dòng)機(jī)葉片與葉輪，國(guó)內(nèi)發(fā)展的最新情況。

3D打印悄悄改變的葉片世界

l 中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)

- 帶胞元結(jié)構(gòu)的靜子導(dǎo)向葉片的增材制造

安裝邊的內(nèi)部熱膨脹采用胞元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠等效襯墊結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)。但采用間隙配合，在冷態(tài)易于安裝，工作溫度下膨脹壓緊。通過(guò)在安裝邊胞元結(jié)構(gòu)內(nèi)部填充合適的熱膨脹系數(shù)更大的材料，能夠?qū)崿F(xiàn)熱膨脹變形能夠達(dá)到預(yù)期效果，以及應(yīng)力水平在可控范圍內(nèi)。

- 抗沖擊增強(qiáng)型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片

基于增材制造可以多種材料融合、內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)靈活的特點(diǎn)，可以在最大限度的減輕葉片重量的前提下，通過(guò)葉片前緣加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效提高葉片的抗沖擊能力。根據(jù)中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的專利CN105604978B，中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)了抗沖擊增強(qiáng)型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片，包括葉片本體和前緣增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

葉片本體和前緣增強(qiáng)結(jié)構(gòu)是由增材制造工藝一體成型的一體件，葉片本體為金屬葉片，前緣增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的材料采用高強(qiáng)金屬材料。其中，前緣增強(qiáng)結(jié)構(gòu)包括在葉片本體的前緣側(cè)沿整個(gè)縱向長(zhǎng)度方向向外擴(kuò)展的彈性的層狀結(jié)構(gòu)，前緣增強(qiáng)結(jié)構(gòu)和金屬葉片的前緣之間采用對(duì)金屬葉片的材料和前緣增強(qiáng)結(jié)構(gòu)都具有親和性的中間材料進(jìn)行過(guò)渡。

視頻：GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)

l  中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院

-  整體葉盤

根據(jù)中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院的專利CN107138924A，目前國(guó)內(nèi)外雙金屬雙性能鈦合金整體葉盤制造方法有線性摩擦焊、擴(kuò)散焊、熱等靜壓擴(kuò)散焊或送粉式激光增材制造方法。其中，線性摩擦焊工藝對(duì)設(shè)備的依賴程度很大，焊接的效果、精度很大程度上取決于設(shè)備的能力，且焊接工裝復(fù)雜，成本高。擴(kuò)散焊方法面臨加壓困難、接頭一致性控制及無(wú)損檢測(cè)等技術(shù)難題，且整體葉盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需采用特殊的加壓手段，工藝實(shí)現(xiàn)起來(lái)技術(shù)難度大。熱等靜壓擴(kuò)散焊技術(shù)成熟度相對(duì)較低，需解決可靠封焊或包套，需采取特殊工藝措施確保熱等靜壓過(guò)程的可靠實(shí)施。另外，由于擴(kuò)散焊時(shí)結(jié)構(gòu)需整體經(jīng)歷焊接熱循環(huán)過(guò)程，還需解決焊接熱循環(huán)與材料的熱處理制度匹配問(wèn)題，避免熱循環(huán)可能對(duì)基體材料造成的不良影響。

這與國(guó)際上ACAM亞琛增材制造中心的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的整體葉盤所使用的技術(shù)不同，ACAM為葉盤開(kāi)發(fā)了LPBF-基于粉末床的增材制造工藝，此外，他們應(yīng)用了點(diǎn)陣晶格結(jié)構(gòu)來(lái)支撐構(gòu)建過(guò)程中的部件，使得后期需要去除的材料顯著減少，并且避免了銑削過(guò)程中的振動(dòng)。那些點(diǎn)陣晶格結(jié)構(gòu)由于密度低而可以不費(fèi)力地去除。

國(guó)內(nèi)與國(guó)際這兩種曲徑通幽的思路為增材制造整體葉盤鋪墊了一個(gè)持續(xù)探索的路徑。

l  南方科技大學(xué)

- 航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片再制造

最后，值得重視的是正如魔猴網(wǎng)在《3D打印與工業(yè)制造》一書(shū)所提到的，“3D 打印并非是一座孤島，而必須與其他傳統(tǒng)制造工藝相融合，才能成為創(chuàng)造制造業(yè)附加值的“利器”。在工藝融合方面，可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)包括GF加工方案提供的廣泛的產(chǎn)品組合，從電加工(EDM)、銑床、激光紋理加工、增材制造等制造技術(shù)組合提供一站式的解決方案，從而提供生產(chǎn)的靈活性，降低復(fù)雜性，降低總體成本（TCO）。另外一家雷尼紹集成了完整的工藝鏈解決方案，還包括其獨(dú)具特色的機(jī)內(nèi)測(cè)頭測(cè)量、對(duì)刀和Equator比對(duì)測(cè)量等等， 這些技術(shù)必將提升工廠的自動(dòng)化水平，讓制造企業(yè)當(dāng)下即可擁有滿足“未來(lái)工廠”要求的高效精密制造能力。

葉片內(nèi)部

西門子3D打印的燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片

真正理解了3D打印的價(jià)值后，我們發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)待這一技術(shù)的態(tài)度已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化。值得欣喜的是國(guó)內(nèi)這些企業(yè)和研究結(jié)構(gòu)已經(jīng)清晰的看到3D打印重塑價(jià)值鏈產(chǎn)業(yè)鏈的顛覆潛力，相信在國(guó)際和國(guó)內(nèi)硬件與軟件解決方案各種技術(shù)的充分融合交互下，我國(guó)的制造將開(kāi)辟出一條獨(dú)具特色的發(fā)展之路，為人類社會(huì)造福。