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    我国首创3D打印叶片技术!航空发动机性能大提升,真正的逆袭

    点击次数:16 更新时间:2020-10-13

    航空3D打印技术应用.jpeg

    3D打印造福人类

    众所周知!由于我国航空业发展的时间较晚,加上技术上的不统一,所以提升起来比较困难。但经过我们科研人员的不断努力,现在也出现了一些好的转机。当前,我国在航空发动机领域开始发力,连续推出WS-10B和WS-13E这两款小涵道比涡扇发动机就是最好的例证,为五代隐形战斗机配套开发的WS-15发动机也已进入最后研发阶段,预计将于2022年左右正式进行首飞试验。

    而事实上!我们航空发动机领域能够取得如此巨大的进步,关键在于单晶叶片技术的突破。因此,对于航空发动机而言,最关键的部件应该是机内风机叶片。叶片的研制成果直接影响着飞机的性能。今天,我带大家一起来领略,发动机叶片与叶轮,国内发展的相关情况。

    为什么发动机叶片做研发起来这么困难?实际上!这是因为涡轮叶片不仅要承受超过2000度的高温,还要承受数十个大气压的高压。具体地说,如果要实现发动机推力的增加,最直接的方法就是提高发动机进气口的温度,而当温度升高时,风扇的单晶叶片需要承受很大的温度和压力。

    航空3D打印技术应用.jpeg

    对旋翼来说,还需要承受数以万计转速带来的巨大离心力作用。有一些数据就足以说明问题:一个小的涡轮叶片(几十毫米大小)在运转时能承受相当于5辆皮卡的重量!十多克重的涡轮叶片对涡轮盘的离心拉力可达上万公斤!

    之前,网上有个例子说得比较清楚。说的是,即使你完美地制作了整片叶片,照样也未必合格!众所周知,高温高应力下,叶片会变长,在航空发动机中被称为“蠕变”。当前国产叶片存在的主要问题是每片叶片进入蠕变各个阶段的顺序不一致,蠕变速度不一致,甚至整个叶片没有或没有或有一点缺陷。

    而且,让人捉摸不透的是,美国制造的叶片明明有雀斑划痕,但性能却是高度一致的,甚至有人认为美国制造的叶片缺陷也是叶片控制方法的一部分。不然很难解释为什么人家生产的叶片连变形速度都如此一致。这类发动机的全寿命控制技术,那真是个长时间积累经验的成果,所以说,我们研究发动机相关技术的工艺不是不先进,也不是材料不合格,而是美国人造了几十年,我们才搞几年,有些优化问题搞不清楚很正常。

    而且,如此高难度的核心制造工艺,当然属于美欧长期垄断和严格技术封锁的技术项目,中国的航空发动机目前仍以叶片落后为主,虽然我国叶片取得了很大进步,但与美国仍有差距。而我国自己率先提出的3D打印叶片技术,必将带来单晶叶片的革命性突破。

    大家都知道!1996年是我国进入了3D打印时代的起点之年。而且这一年,也正是“中国3D打印之父”,卢秉恒3D打印研究项目获得国家科技部支持的第二年。经过24年的沧海桑田,中国3D打印行业早已遍及全球。事实上!在这一年里,这是一项没那么受欢迎的科研项目,在卢秉恒的坚持下得以继续。对制造业而言,卢秉恒早就预见到这一点。

    他很高兴看到3D打印行业正在快速发展。最近十年来,国内金属3D打印设备的增长证实了3D打印行业的高速发展,2019年该行业比2018年增长了300%。纵观世界,每年的增长率也在20%~30%左右。他说:“中国的制造规模预计将达到3万亿美元,而3D打印创造的价值将占全球三分之一,也就是占据了大约1万亿美元的规模?!甭钒追⒌穆阍菏吭诿杌?D打印发展蓝图时,显得相当镇定。


    目前3D打印技术已是很火的技术,开始在各大领域慢慢应用,与以往的制造业不同,用户只需在电脑内完成全部设计工作,然后再输入相关参数,便可在短时间内获得所需产品。根据所用的原料,可以很好地制造出非常复杂的单晶叶片。

    由于3D打印技术在航空业的应用并不广泛,美国航发巨头通用电气公司曾表示,3D打印技术并不适用于制造航空发动机,因为使用3D打印技术制造的零部件强度低、质量差,而且由于成本高,也不适合大规模应用。

    但三年前,我国就成功地开发了可3D打印金属制品的技术,用这种技术制造的零件,其整体性能基本上与用传统工艺制造的零件相当。目前,这项技术已开始在国产飞机上大规模应用,包括五代隐形战机和运-20型大型运输机。另外,这项技术还处于缓冲期,还有很大的改进空间所以,在3D打印叶片技术上,捷报频传。

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    例如,根据中国航发商用航空发动机专利CN209569034U,中国航发开发了一种在两端分别设置有外环安装边的静子导叶,该导叶由胞元结构填充材料组成,该新型静子导叶及包括该导叶在内的航空发动机通过安装边体的结构设计,取消了内衬结构,从而达到相同或更优的降低微动磨损和气动损失(而不改变其他部件的结构)。

    根据增材制造可以多种材料融合,内部结构形式设计灵活的特点,可通过加强叶片前缘的结构设计,在最大限度减轻叶片重量的前提下,有效提高叶片抗冲击性能。据中国航发商用航空发动机专利CN105604978B,该发动机已研制成功抗冲击增强型涡轮发动机风扇叶片,包括叶片本体和前缘增强结构。

    值得注意的是, GE航空国际子公司 Avio Aero已经在意大利的 Cameri工厂扩大了GE9X发动机涡轮叶片的3D打印生产能力,该工厂安装了35个电子束熔融金属3D打印设备,预计在2022-2023年间将在此生产大约6万个叶片。

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    3D打印叶片

    为防止技术泄密,确保其在该领域的领先地位,此前,由科技部和商务部联合发布的《中国禁止出口的技术目录》中,就包括了铸造铣一体化金属3D打印关键技术,可以说,中国在航空发动机领域终于有了可供外国人参考的关键技术。

    总而言之,在我们真正了解3D打印的价值之后,我们发现国内企业对3D打印技术的态度发生了很大变化。令人高兴的是,国内这些企业和研究机构已经清楚地看到了3D打印重塑价值链产业链的颠覆潜力,相信随着国内外各种软硬件解决方案技术的全面融合,我国制造业必将开辟一条独具特色的发展道路,造福于人类社会。

    并且,凭借强大的3D打印技术,中国航空发动机叶片制造可以避免很多弯路,从而节省大量研发时间,确保中国实现真正的弯道超车。随著3D打印技术的逐渐成熟,中国必将在航空发动机叶片制造方面取得更大的突破,实现真正的逆袭。


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