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万物皆可的增材制造技术如何为航空发动机“减负”？

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3D打印技术，作为一种独特的快速成型手段，利用激光束、电子束等作为能量媒介，在真空或惰性气体保护环境中，精准熔化各类金属、树脂及陶瓷材料。通过精密的三维模型分层规划，该技术逐层叠加熔化的材料，最终构建出成品。其显著优势包括成本降低、接近最终形状的净成形、便携化生产以及广泛的产品适应性。

尤为值得一提的是，3D打印的高度灵活特性，在应对大尺寸、高精度及复杂结构制造挑战时展现出非凡能力，这恰好与航空发动机零部件制造中的诸多难题不谋而合。

航空发动机的结构和零部件特点

燃气涡轮发动机的结构复杂而精密，主要由进气道压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管这五大核心部件构成，此外还集成了燃油系统、滑油系统、电气系统、空气系统以及附件传动系统等辅助部分。

航空发动机的构成令人惊叹，其零部件数量可多达2万至3万件，种类繁多，按结构形式大致可划分为轴类件、盘类件、鼓筒、环形机匣、箱式机匣以及叶片等几大类。

轴类件涵盖了风扇轴、压气机轴、涡轮轴等关键部件；盘类件则主要包括压气机盘和涡轮盘；鼓筒类有风扇/增压级整体鼓筒和高压压气机焊接鼓筒等；环形机匣系列则囊括了进气机匣、压气机机匣、燃烧室机匣等重要部分；箱式机匣则包含中央传动机匣、附件传动机匣、滑油泵机匣等；而叶片，作为关键部件之一，分为风扇叶片、压气机叶片和涡轮叶片，它们在高温高压环境中发挥着关键作用。关注公众号: 增材制造硕博联盟，免费获取海量增材资料，聚焦增材制造研究与工程应用！

零部件显著的特点：

尺寸庞大且形状复杂，如风扇叶片不仅体积大且呈不规则曲面，涡轮叶片内部更是设计了复杂的冷却通道以实现高效冷却。

材料加工难度大，由于航空发动机需在极端环境下运行，其零部件多采用钛合金、镍基高温合金等高强度且难以加工的材料制成，且多为薄壁件，加工过程中极易发生变形。

制造周期长、成本高，复杂的结构和严苛的材料要求使得制造过程繁琐且耗时耗力

零部件修复

航空发动机在极端的高温高压环境下持续运行，其关键部件如压气机叶片和涡轮叶片极易遭受烧伤、裂纹及异物冲击等损伤。针对这些核心零部件的快速、低成本的再生制造技术，尤其是利用3D打印技术，一直是西方国家的技术封锁重点，也是我国亟待突破的技术瓶颈。特别是进口发动机，受制于国外技术封锁，一旦这些关键部件报废，往往只能以高昂的代价进行更换。

然而，全球范围内已有一些成功案例，如美国Optomec Design公司利用激光熔化沉积（LMD）技术成功修复了T700发动机的整体叶盘；德国MTU公司也通过LMD技术恢复了涡轮叶片冠部的精确几何尺寸；瑞士洛桑理工学院的W.Kurz教授团队则实现了高温合金单晶叶片的LMD技术修复。

在国内，研究者已经积极投身于LMD技术在航空发动机损伤部件修复领域的研究，并取得显著进展。

零部件直接制造

早在1979年，美国联合技术研究中心便率先提出了在航空发动机涡轮盘制造中运用直接增材制造技术的创新理念。这一前瞻性构想迅速在业界引起轰动，并推动了3D打印技术在航空发动机零部件制造领域的广泛应用。进入20世纪末，多家国际知名的发动机制造商纷纷将3D打印技术纳入其生产流程，引领了一股航空发动机零部件3D打印的潮流。

其中，英国Rolls-Royce公司凭借其在3D打印技术上的卓越成就，成功打印出TrentXWB-97发动机的前轴承机匣。该机匣以钛合金为材料，结构复杂且尺寸庞大，达到了1500mm x 500mm的规格。通过3D打印技术，Rolls-Royce公司不仅大幅缩短了30%的制造时间，还顺利完成了该机匣的装机地面测试，进一步验证了3D打印技术在航空发动机制造中的可靠性。

与此同时，GE公司也在其LEAP-1A航空发动机的燃油喷嘴制造中采用了SLM技术。这一创新举措使得该发动机的燃油效率较同类产品提升了15%，生产周期显著缩短，生产成本更是降低了50%。此外，西门子公司、赛峰发动机公司和Euro-K公司等也纷纷效仿，将3D打印技术应用于燃油喷嘴的生产中，进一步推动了该技术的普及和发展。

德国航空发动机公司MTU同样不甘落后，他们首次利用3D打印技术制造出了用于PW1100G-JM发动机低压涡轮部分的镍基高温合金管道镜轴套。成功的案例不仅展示了3D打印技术在航空发动机制造中的巨大潜力，也为未来更多零部件的3D打印应用奠定了坚实的基础。

图航空发动机可应用增材制造的零部件示意图

近年来，中国在3D打印技术应用于航空发动机零部件制造领域取得了显著进展，尽管多数研究仍处于基础探索与地面试验阶段，但已有少数成果成功实现了装机验证。例如，通过选择性激光熔化（SLM）技术，成功制造了航空发动机的钛合金导管弯头，并经过减材加工以满足装机标准，该部件已在某型无人机航空发动机中得到了实际应用验证。关注公众号: 增材制造硕博联盟，免费获取海量增材资料，聚焦增材制造研究与工程应用！

此外，3D打印技术还被用于制造涡轴发动机的复杂附件传动机匣，该机匣集成了燃油和滑油管路，结构复杂，经工艺试验后，其粗糙度优于传统铸件，且密封性能完全满足使用需求。

更有研究者提出了利用激光熔化沉积（LMD）工艺快速成型航空发动机叶片的方法，深入分析了工艺参数对成形质量和效率的影响。同时，我国还成功制备了涡轮导向叶片的毛坯结构，其力学性能达标，但外形尺寸尚需进一步减材加工以完善。这些成果标志着中国在3D打印技术应用于航空发动机零部件制造领域迈出了坚实的一步。

除此之外，还有一系列成果成功实现装机应用。

测量受感部件叶片型芯及树脂模型制造

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除了零部件修复与直接制造外，3D打印技术在航空发动机领域内展现出更为广泛的潜在应用，涵盖了测量受感部件、叶片型芯及树脂模型的制造等多个方面。在试验的关键阶段，精确测量发动机参数至关重要，而这些测量受感部件往往结构复杂。

通过引入3D打印技术，不仅显著缩短了这些复杂部件的研发周期，还实现了部件的轻量化。成功利用3D打印技术制造了航空发动机的压力测量受感部件，并经过严格考核，证明其性能符合国军标要求，标志着3D打印在航空发动机测试部件制造领域的初步成功，预示着未来更广泛的应用前景。

此外，随着航空发动机性能的不断攀升，涡轮叶片的工作环境日益严苛，对材料熔点及冷却通道结构提出了更高要求。传统熔模铸造技术在面对高度复杂冷却通道时显得力不从心，而3D打印技术，特别是光固化成形技术（SLA），为陶瓷铸造型芯的制造提供了创新解决方案。

通过精确控制每一层材料的固化，SLA技术能够制造出具有复杂内部结构的陶瓷型芯，满足现代航空发动机叶片的制造需求。这一技术的应用，不仅推动了航空发动机技术的进步，也为未来更高性能发动机的研发奠定了坚实基础。

来源：增材制造硕博联盟

西工大林鑫教授团队顶刊丨基于原位高速重熔策略的激光增材制造铝合金强-塑性突破！

点击关注·聚焦3D打印技术👆 近期，题目为“Achieving superior strength-plasticity performance in laser powder bed fusion of AlSi10Mg via high-speed scanning remelting” 的研究论文发表在Materials Research Letters上。论文第一作者为西北工业大学材料学院博士生史硕晴，通讯作者为林鑫教授、赵宇凡教授以及杨海欧副研究员，第一通讯单位为西北工业大学凝固技术国家重点实验室。增材制造技术的出现给现代工业带来了深刻变革，但目前铝合金的制备面临两大困境：一方面，高强铝合金的增材制造可加工性较差；另一方面，铸造铝合金虽然成形性优异，但难以突破中-高强度性能范围，严重制约了其在极端服役环境下的应用。为此，研究者尝试各种方法来解决这些难题：施加磁场/超声场等辅助场；采用多种热处理制度来调控微观组织；甚至添加昂贵的稀土元素来达到晶粒等轴化以及析出强化相的目的。虽然这些努力使得组织-性能得到一定改善，但研发成本较高。因此，建立一种工艺简单、可靠性强、成本低廉的方法来提升综合力学性能，成为具有挑战的科研议题。近期，西北工业大学林鑫教授团队在深刻理解快速凝固理论的基础上，充分发挥激光增材制造的极端工艺条件，以最为常见且价格低廉的AlSi10Mg合金为对象，开发出一种原位高速重熔策略（HSSR），使得晶粒发生显著的柱状晶→等轴晶转变（CET），同时获得更加细化的晶内胞状亚结构，提高了Al基体中纳米析出相的体积分数，实现了增材制造铝合金的强-塑性突破。制备出的铝合金试样具有优异的表面光洁度以及内部冶金质量；屈服强度为279.5 ± 2.3 MPa，抗拉强度为496.1 ± 5.8 MPa，断裂延伸率为21.4 ± 0.9%，综合拉伸性能在目前已知的所有增材制造铝硅合金及复材中表现最为优异。相关工作以题为“Achieving superior strength-plasticity performance in laser powder bed fusion of AlSi10Mg via high-speed scanning remelting” 的研究论文发表在Materials Research Letters上。论文第一作者为西北工业大学材料学院博士生史硕晴，通讯作者为林鑫教授、赵宇凡教授以及杨海欧副研究员，第一通讯单位为西北工业大学凝固技术国家重点实验室。在本工作中，对常规激光选区熔化（LPBF）试样以及高速重熔策略（HSSR）试样进行了对比研究。通过微观组织分析可知（图1），非重熔LPBF试样具有强烈的 <100> 织构，Al基体内部析出相不显著。相比之下，HSSR试样的熔池区域边界不明显；等轴晶比例显著提升，呈现出柱状晶-等轴晶混合形态，并且GND更多的分布在熔池内部。HSSR策略后，晶粒的 [001] 取向被削弱，各向异性程度显著降低；晶内胞状亚结构的等轴化趋势加强；且Al基体内部弥散分布大量的纳米析出颗粒。通过分布直方图统计数据可知，HSSR策略促进了晶粒以及晶内胞状亚结构的细化和等轴化。关注公众号: 增材制造硕博联盟，免费获取海量增材资料，聚焦增材制造研究与工程应用！ ▲图1 沉积试样的微观组织。（a-a2）（i-i2）带对比度、反极图和GND分布图；（b）（j）分别对应（a1）（i1）的极图；（c-d）（k-l）晶粒等效直径和长宽比；（e-f）（m-n）胞状亚结构的SEM图像以及长宽比分布图；（g-h）（o-p）Al基体内部析出相的SEM图像以及尺寸分布图。对两组试样进行了室温拉伸（图2）。与常规的LPBF试样相比，HSSR试样的屈服强度、抗拉强度和断裂延伸率分别提升了27.3%，22.5%和103.8%。对比图中列举了增材制造外加辅助场、后续热处理、常规重熔、添加强化颗粒等不同工艺条件下AlSi10Mg合金，以及添加稀土元素改性的高强铝合金的拉伸性能。可知，利用HSSR策略，合金的断裂强度和延伸率同时显著提升，在目前已知数据中表现最为突出。通过对加工硬化指数的进一步分析可知，HSSR策略试样具有显著的加工硬化能力，且随着拉伸应变的不断提升，加工硬化指数逐渐升高，从而可以获得优异的拉伸强度。 ▲图2 轴向拉伸性能。（a）典型工程应力-应变曲线；（b）轴向拉伸强度-断裂延伸率性能对比图；（c）真应力/加工硬化率-真应变曲线；（d）不同应变阶段下的加工硬化指数。本研究创造性提出的原位高速重熔策略（HSSR），是一种简单易行、稳定可靠、成本低廉的调控手段。HSSR策略促进了晶粒以及晶内胞状亚结构的细化和等轴化。通过较硬等轴晶和较软柱状晶间协调变形，有效缓解了熔池边界的应变局部化，延迟了脱粘，提升了试样延展性；同时晶粒及晶内胞状亚结构的细化、以及Al基体内纳米析出相比例提升，有效改善了加工硬化能力，使拉伸强度提升。这一成果不仅使得增材制造铝硅合金获得了前所未有的拉伸性能，还有望为增材制造其他类型合金的性能提升开辟一条新的技术途径，具有巨大工程应用潜力。关注我们, 万物皆可3D打印来源：增材制造硕博联盟