【詳解】3D打印技術在航空發(fā)動機維修中的應用

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(yè)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(yè)都是美國增材制造創(chuàng)新研究所（NAMII）的成員單位。我們一直在關注3D打印在航空發(fā)動機制造上的應用，卻忽視了3D打印技術在解決航空發(fā)動維修 的零備件采購、提升再制造能力、戰(zhàn)場應急搶修中發(fā)揮的重要的作用，接下來我們具體分析，航空發(fā)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(fā)動機維修中的作用

1.1 3D打印技術解決航空發(fā)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(fā)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(yè)制造業(yè)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(fā)動機使用維護過程中，特別是進口發(fā)動機，到壽件、易損件、必換件等零部件是航空發(fā)動機維修企業(yè)最棘手的難題。

3D打印發(fā)動機零部件的出現解決了發(fā) 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(fā)動機維修企業(yè)也具備了零部件制造能力。對于小批量需求的航空發(fā)動機維修企業(yè)來說，3D打印既節(jié)約了制造成本，又縮短了維修周期。

1.2 3D打印技術提升航空發(fā)動機維修中零部件再         
制造能力 航空發(fā)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(fā)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(fā)動機關鍵核心部件的再制造技術是歐美發(fā)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(fā)達國家首選的航空發(fā)動機零部件再制造技術。3D打印技術作為航空發(fā)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(zhàn)場裝備應急搶修帶來變革
3D打印技術特別適用于發(fā)動機戰(zhàn)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(zhàn)場及時制造毀損部件。在未來信息化高技術戰(zhàn)爭中，戰(zhàn)場上如果需要更換毀損部件，采用3D打印設備直接在戰(zhàn)場把所需要的部件制造出來，裝配后重新投入戰(zhàn)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(yè)發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(yè)有限公司率先提出了3D打印再制造的概念，航空發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(huán)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。

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(guī)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(fā)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(fā)動機零部件3D打印技術體系的不斷發(fā)展，3D打印技術將在解決航空發(fā)動機維修中的零備件采購難題、提升航空發(fā)動機零部件再制造能力、戰(zhàn)場應急搶修等方面發(fā)揮著不可替代的作用。

作者：郭雙全   羅奎林   劉 瑞   向 巧   何 勇（成都航利（集團）實業(yè)有限公司）
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