增材制造技術3D打印技術給維修航空發動機帶來變革

增材制造技術最重要的應用首推航空航天領域。美國“增材制造路線圖”把航空航天需求作為增材制造的第一位工業應用目標，波音、GE、霍尼韋爾、洛克希德?馬丁等美國著名航空航天企業都是美國增材制造創新研究所（NAMII）的成員單位。我們一直在關注3D打印在航空發動機制造上的應用，卻忽視了3D打印技術在解決航空發動維修 的零備件采購、提升再制造能力、戰場應急搶修中發揮的重要的作用，接下來我們具體分析，航空發動機零部件3D打印技術體系及其在高壓渦輪葉片維修中的應用。

1 3D打印技術在航空發動機維修中的作用?

1.1 3D打印技術解決航空發動機維修中零備件采購? ?? ?? ?

難題 3D打印技術已經得到了國外航空公司的廣泛關注，3D打印的航空發動機零部件不斷涌現（見表1）。據報道，西門子公司已于2014年成為全球工業制造業第1個在金屬零部件實際生產中應用3D打印制造技術的公司。在發動機使用維護過程中，特別是進口發動機，到壽件、易損件、必換件等零部件是航空發動機維修企業最棘手的難題。

? 3D打印發動機零部件的出現解決了發 動機維修所需備件的采購難題。通過掌握3D打印技術，制造出所需要的零備件，使原本采用傳統方法短時間內無法滿足設備、工藝等基礎條件的航空發動機維修企業也具備了零部件制造能力。對于小批量需求的航空發動機維修企業來說，3D打印既節約了制造成本，又縮短了維修周期。?

1.2 3D打印技術提升航空發動機維修中零部件再制造能力

航空發動機關鍵核心部件在工作中損傷報廢嚴重、報廢量大、損傷模式復雜，成為制約發動機維修周期和成本的主要因素，如燒蝕、裂紋、異物打傷等[1]，因此，壓氣機葉片、渦輪葉片等航空發動機關鍵核心部件的再制造技術是歐美發達國家嚴密封鎖的關鍵核心技術。3D打印為再制造提供了個性化、高效率的實現手段，是歐美發達國家首選的航空發動機零部件再制造技術。3D打印技術作為航空發動機零部件再制造的重要技術手段，是目前國內外前沿研究技術和應用領域之一。

1.3 3D打印技術給戰場裝備應急搶修帶來變革?

3D打印技術特別適用于發動機戰場裝備應急維修保障，將給裝備保障帶來革命性的變化。主要體現在2個方面：

一是通過3D打印技術可以在戰場及時制造毀損部件。在未來信息化高技術戰爭中，戰場上如果需要更換毀損部件，采用3D打印設備直接在戰場把所需要的部件制造出來，裝配后重新投入戰場，避免出現裝備某個零部件出現故障卻無法維修的窘境，從而使遭到毀傷的武器裝備得到再生?？梢灶A見，代表制造業發展新趨勢的3D打印技術，是未來顛覆傳統的裝備技術維修保障手段。

二是3D打印技術可以減輕后勤保障壓力。與裝備生產的傳統工藝模式不同，3D打印技術集概念設計、技術驗證與生產制造于一體，將極大地縮小裝備從“概念”到“定形”的時間差，從而加快裝備的更新周期，實現隨時、隨地、按需生產。?

2 3D打印技術分類及特點?

適用于航空發動機金屬零部件的3D打印技術主要有5類（見表2），可分別應用于航空發動機維修過程中零部件的制造和再制造，其中用于再制造的主要有激光凈成形、電子束熔絲沉積、等離子束熔絲沉積和等離子束粉末沉積。這些技術對應著專用的設備、原材料和工藝。航空發動機維修中的零部件3D打印再制造融合了3D打印技術和再制造技術，成都航利（集團）實業有限公司率先提出了3D打印再制造的概念，航空發動機零部件3D打印再制造是指將3D打印技術作為重要手段的再制造。由于3D打印再制造在前處理過程中主要包括了再制造的前處理技術，比如涂層去除技術、清洗技術等，因此整個過程比3D打印制造更為復雜。

? 航空發動機零部件3D打印制造技術除了不包括再制造前處理技術以外，其余都是和3D打印再制造是相同的技術。從圖1中可以看出，航空發動機零部件3D打印技術與一般普通金屬產品相比，性能考核技術復雜、考核周期長，這些都增加了3D打印技術在航空發動機維修中的應用難度。?

3 3D打印再制造技術在高壓渦輪葉片維修中的應用?

某型航空發動高壓渦輪工作葉片采用定向凝固鎳基高溫合金精密鑄造而成。1個大修周期后高壓渦輪工作葉片在工作中葉尖磨損嚴重，部分葉尖已磨損至凸臺，平均磨損量為0.6~0.7mm，43%的葉片已磨損至凸臺。高壓渦輪工作葉片在工作中與之配合的是外環上采用等離子噴涂制備的具有3層結構的NiCrAlY封嚴涂層。由于在NiCrAlY封嚴涂層的底層和中間層添加高溫抗氧化釬料進行真空熱處理，同時在面層中添加提高孔隙率的聚苯脂，具有較好的可磨耗性，但是該涂層硬度高（HR45Y=55~75），因此，在工作中渦輪葉片葉尖易被封嚴涂層磨損。

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分析表明，高壓渦輪工作葉片葉尖主要是由于氧化和燃氣腐蝕加劇了磨損。葉片為定向凝固組織，常規的氬弧焊、釬焊等技術難以實現定向組織修復。針對葉尖磨損故障和復雜型面的特點，采用激光凈成形技術（LENS）對高壓渦輪葉片進行3D打印再制造，再制造后的葉片接長組織呈定向晶，經過長期試車考核后滿足航空發動機一個大修周期要求。?

隨著金屬產品3D打印技術的不斷成熟和航空發動機零部件3D打印技術體系的不斷發展，3D打印技術將在解決航空發動機維修中的零備件采購難題、提升航空發動機零部件再制造能力、戰場應急搶修等方面發揮著不可替代的作用。