航空发动机叶片增材制造

航空发动机叶片增材制造调查报告

总体来说，有这样几种可行性方向。

一、工艺方向，包括整体增材制造或者表面增材强化：

1. 整体增材制造：使用3d打印代替传统加工工艺，整体打印。目前可行的3d打印技术包括：

FDM：熔融沉积(Fused Deposition Modeling)

SLM：选择性激光熔融技术（Selective Laser Melting）

SLS：选择性激光烧结成型法（Selective Laser Sintering）

DMLS：直接金属激光烧结（Direct Metal Laser Sintering）

LMD：激光金属沉积（laser metal deposition）

相比于熔模铸造，增材制造具有的优势多于劣势，因此具有较大研究价值。如何解决增材制造新工艺存在的技术弱点正是需要研究的方向。总结有如下几点：

①强度问题：目前最常用为镍基合金增材，使用何种材料可提升强度？

②精度问题：粘结剂喷射，然后是适当的烧结和表面处理是一种很有前途的合金制造工艺

[1]，如何进一步提升表面精度？

③温度问题：3d打印叶片目前只是在常温叶片制造上有一些应用，针对于航空发动机涡轮的耐高温叶片（1400-1700℃）则鲜有研究。需要解决问题包括：除镍基合金外，打印粉末采用何种耐高温材料（金属、非金属、复合材料[2]）？最佳的高温合金打印方法是哪一种？

④建立模型：建立增材制造叶片的收缩模型、疲劳模型、力学模型等。

2.表面增材强化：使用激光熔覆或等离子喷涂，在已有叶片表面上增加强化散热层，叶片为多层结构。（滕海灏）

二、产品方向，叶片结构智能化和新材料应用。目前叶片结构如下图所示[3]，采用熔模铸造的工艺方案，其优缺点见上表。如前所述，如果采用3d打印工艺加工这种空心叶片结构将会实现多方面的优化。就产品本身而言，可以在如下方面进行研究。

图1 图2

1、叶片结构智能化（4d打印）

如图2，这是风力发电机叶片结构[3]，利用仿生学模仿植物脉络，将单一叶片材料更新为主动（智能）材料和被动材料两种，又称为“4d打印”。这种新型结构采用PLA作为主动材料，利用其热响应机制实现根据外力“自适应”调整自身形状。因此实现了叶片的智能化，提升了发电效率，另外还具有消除噪音、增强散热效果、取消叶片传感器等优点。这种新型叶片由“硬”变“软”实现了结构的革命。但是，目前这种结构仅仅针对于常温材料的叶片结构，高温工作叶片则鲜有报道。因此，将此结构应用于航空涡轮的高温叶片是否可行？

2、叶片新材料

如果采用上述智能结构应用于高温工作叶片，采用何种材料作为主动材料（记忆合金？纳米材料？）、何种作为被动材料，是否采用上述仿生结构，或者采用其它植物结构，如棕榈树、橡树等[4]。

如果高温合金结构无法实现软质智能化结构，也可以采用加强筋结构提升叶片强度，这种结构很难通过传统工艺实现，只能依靠3d打印工艺实现。

参考文献

[1]Amir Mostafaei,Characterizing surface finish and fatigue behavior in binder-jet 3D-printed nickel-based superalloy 625,Additive Manufacturing 24 (2018) 200–2

[2]航空发动机复合材料叶片设计及成形技术研究，宋超，南航硕士学位论文

[3]Y.W. Dong,Modeling of shrinkage during investment casting of thin-walled hollow turbine blades,Journal of Materials Processing Technology 244 (2017) 190–203

[4]Farhang Momeni,Plant leaf-mimetic smart wind turbine blades by 4D printing, Renewable Energy 130 (2019) 329e351

[5]Markus Bambach,Hot workability and microstructure evolution of the nickel-bsuperalloy Inconel 718 produced by laser metal deposition,Journal of Alloys and Compounds 740 (2018) 278e287

[6]Yao Li,Mechanism of heat affected zone cracking in Ni-based superalloy DZ125L fabricated by laser 3D printing technique,Materials and Design 150 (2018) 171–181