增材制造技術(shù)3D打印技術(shù)給維修航空發(fā)動(dòng)機(jī)帶來(lái)變革

增材制造技術(shù)最重要的應(yīng)用首推航空航天領(lǐng)域。美國(guó)“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(yè)應(yīng)用目標(biāo)，波音、GE、霍尼韋爾、洛克希德?馬丁等美國(guó)著名航空航天企業(yè)都是美國(guó)增材制造創(chuàng)新研究所（NAMII）的成員單位。我們一直在關(guān)注3D打印在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造上的應(yīng)用，卻忽視了3D打印技術(shù)在解決航空發(fā)動(dòng)維修 的零備件采購(gòu)、提升再制造能力、戰(zhàn)場(chǎng)應(yīng)急搶修中發(fā)揮的重要的作用，接下來(lái)我們具體分析，航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件3D打印技術(shù)體系及其在高壓渦輪葉片維修中的應(yīng)用。

1 3D打印技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修中的作用?

1.1 3D打印技術(shù)解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修中零備件采購(gòu)? ?? ?? ?

難題 3D打印技術(shù)已經(jīng)得到了國(guó)外航空公司的廣泛關(guān)注，3D打印的航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件不斷涌現(xiàn)（見(jiàn)表1）。據(jù)報(bào)道，西門子公司已于2014年成為全球工業(yè)制造業(yè)第1個(gè)在金屬零部件實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用3D打印制造技術(shù)的公司。在發(fā)動(dòng)機(jī)使用維護(hù)過(guò)程中，特別是進(jìn)口發(fā)動(dòng)機(jī)，到壽件、易損件、必?fù)Q件等零部件是航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修企業(yè)最棘手的難題。

? 3D打印發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的出現(xiàn)解決了發(fā) 動(dòng)機(jī)維修所需備件的采購(gòu)難題。通過(guò)掌握3D打印技術(shù)，制造出所需要的零備件，使原本采用傳統(tǒng)方法短時(shí)間內(nèi)無(wú)法滿足設(shè)備、工藝等基礎(chǔ)條件的航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修企業(yè)也具備了零部件制造能力。對(duì)于小批量需求的航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修企業(yè)來(lái)說(shuō)，3D打印既節(jié)約了制造成本，又縮短了維修周期。?

1.2 3D打印技術(shù)提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修中零部件再制造能力

航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵核心部件在工作中損傷報(bào)廢嚴(yán)重、報(bào)廢量大、損傷模式復(fù)雜，成為制約發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)葉片、渦輪葉片等航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵核心部件的再制造技術(shù)是歐美發(fā)達(dá)國(guó)家嚴(yán)密封鎖的關(guān)鍵核心技術(shù)。3D打印為再制造提供了個(gè)性化、高效率的實(shí)現(xiàn)手段，是歐美發(fā)達(dá)國(guó)家首選的航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件再制造技術(shù)。3D打印技術(shù)作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件再制造的重要技術(shù)手段，是目前國(guó)內(nèi)外前沿研究技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域之一。

1.3 3D打印技術(shù)給戰(zhàn)場(chǎng)裝備應(yīng)急搶修帶來(lái)變革?

3D打印技術(shù)特別適用于發(fā)動(dòng)機(jī)戰(zhàn)場(chǎng)裝備應(yīng)急維修保障，將給裝備保障帶來(lái)革命性的變化。主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：

一是通過(guò)3D打印技術(shù)可以在戰(zhàn)場(chǎng)及時(shí)制造毀損部件。在未來(lái)信息化高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)中，戰(zhàn)場(chǎng)上如果需要更換毀損部件，采用3D打印設(shè)備直接在戰(zhàn)場(chǎng)把所需要的部件制造出來(lái)，裝配后重新投入戰(zhàn)場(chǎng)，避免出現(xiàn)裝備某個(gè)零部件出現(xiàn)故障卻無(wú)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(yù)見(jiàn)，代表制造業(yè)發(fā)展新趨勢(shì)的3D打印技術(shù)，是未來(lái)顛覆傳統(tǒng)的裝備技術(shù)維修保障手段。

二是3D打印技術(shù)可以減輕后勤保障壓力。與裝備生產(chǎn)的傳統(tǒng)工藝模式不同，3D打印技術(shù)集概念設(shè)計(jì)、技術(shù)驗(yàn)證與生產(chǎn)制造于一體，將極大地縮小裝備從“概念”到“定形”的時(shí)間差，從而加快裝備的更新周期，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)、隨地、按需生產(chǎn)。?

2 3D打印技術(shù)分類及特點(diǎn)?

適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)金屬零部件的3D打印技術(shù)主要有5類（見(jiàn)表2），可分別應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修過(guò)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(shù)對(duì)應(yīng)著專用的設(shè)備、原材料和工藝。航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修中的零部件3D打印再制造融合了3D打印技術(shù)和再制造技術(shù)，成都航利（集團(tuán)）實(shí)業(yè)有限公司率先提出了3D打印再制造的概念，航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件3D打印再制造是指將3D打印技術(shù)作為重要手段的再制造。由于3D打印再制造在前處理過(guò)程中主要包括了再制造的前處理技術(shù)，比如涂層去除技術(shù)、清洗技術(shù)等，因此整個(gè)過(guò)程比3D打印制造更為復(fù)雜。

? 航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件3D打印制造技術(shù)除了不包括再制造前處理技術(shù)以外，其余都是和3D打印再制造是相同的技術(shù)。從圖1中可以看出，航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件3D打印技術(shù)與一般普通金屬產(chǎn)品相比，性能考核技術(shù)復(fù)雜、考核周期長(zhǎng)，這些都增加了3D打印技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修中的應(yīng)用難度。?

3 3D打印再制造技術(shù)在高壓渦輪葉片維修中的應(yīng)用?

某型航空發(fā)動(dòng)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(gè)大修周期后高壓渦輪工作葉片在工作中葉尖磨損嚴(yán)重，部分葉尖已磨損至凸臺(tái)，平均磨損量為0.6~0.7mm，43%的葉片已磨損至凸臺(tái)。高壓渦輪工作葉片在工作中與之配合的是外環(huán)上采用等離子噴涂制備的具有3層結(jié)構(gòu)的NiCrAlY封嚴(yán)涂層。由于在NiCrAlY封嚴(yán)涂層的底層和中間層添加高溫抗氧化釬料進(jìn)行真空熱處理，同時(shí)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(yán)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?xì)飧g加劇了磨損。葉片為定向凝固組織，常規(guī)的氬弧焊、釬焊等技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)定向組織修復(fù)。針對(duì)葉尖磨損故障和復(fù)雜型面的特點(diǎn)，采用激光凈成形技術(shù)（LENS）對(duì)高壓渦輪葉片進(jìn)行3D打印再制造，再制造后的葉片接長(zhǎng)組織呈定向晶，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期試車考核后滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)一個(gè)大修周期要求。?

隨著金屬產(chǎn)品3D打印技術(shù)的不斷成熟和航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件3D打印技術(shù)體系的不斷發(fā)展，3D打印技術(shù)將在解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修中的零備件采購(gòu)難題、提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件再制造能力、戰(zhàn)場(chǎng)應(yīng)急搶修等方面發(fā)揮著不可替代的作用。