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3D打印技术SLM制造航空发动机零件应用研究

2015-7-20 10:14:14

  在航空航天领域,经常会使用燃气涡轮发动机产生推力。虽然理论上内燃机的结构很简单,主要由压缩机、燃烧室和涡轮机组成。但在实践中,作为飞机和火箭的发动机,这些部件必须经过精心设计和使用昂贵的材料,实际在运行中能够承受高温高压。

  燃烧室将少量空气鼓入混合区,在这里有喷射进来并燃烧的雾化燃油。一秒钟之内,更多更冷的空气流通过外衬套孔进来,沿着腔室壁将温度降低至与涡轮机入口匹配的水平。

  燃烧室的效能如何主要依赖于它的设计、其表面粗糙度、以及其材料和机械性能。通常来说,燃烧室衬套的制造要花5嬰/font]8个月时间制造。总而言之,可能需要超过25个环节才能组装出每个燃烧室,每个燃烧室由六个单独的零部件组成的。

  每个零部件都使用很薄(0.8/1毫米厚)的耐高温合金连续冲裁、切割成一定尺寸、热压和手工钎焊,然后进行表面抛光和最后检查。燃油喷嘴、旋流器和湍流生成装置等通常在后面的阶段才焊接。这需要合格的人力去操作和安装,设置平台和操作每个子部件。

  由于受到成本和时间的限时,现有的制造技术所涉及的环节是有限的,所以很难制造出很复杂的零部件。现在,由于3D打印的灵活性,能够一步完成所有的制造过程。天工社曾经报道过,美国宇航局(NASA)、欧洲空间局和GE公司都已经正式将3D打印技术用于制造高附加值的零部件,比如火箭的燃料喷嘴。还有一些私营公司和公共研究机构正在尝试使用各种增材制造技术制造完整的发动机,比如冷喷技术、直接激光熔融(DLM),同时使用的是市场上现有的金属粉末材料。

  在粉末床上使用选择性激光熔融(SLM)技术,燃气涡轮发动机的燃烧室只需要45—65小时即可完成。 此外,通过反直觉重新设计,以提高燃烧效率,可以更容易地制造和进行台架实验,有可能使用定制或外界的粉末。因其固有的高分辨率(可达0.1mm)和其低表面粗糙度(Ra <7 / 8um),SLM技术非常适合这方面的应用。相应地电子束熔融技术的表面粗糙度就高了一点,其典型的Ra ≥40/ 50um。

  就发动机燃烧室这个案例来说,SLM可以用来进行测试一次性的新颖设计或制造备件用于维修。此外,基于粉末床的SLM技术也可以作为一种可靠的生产工艺去制造非常规或难以制造的设计。

  SLM制造的零部件仍然需要进行后处理:切割掉打印他们时使用的基材、除去支撑、清洗掉粉末和表面后处理。当然,在CAD设计时可以考虑到后处理的需要,以减少不必要的支撑结构,或者在关键部分限制使用支撑。此外,了解零部件如何才能高效运转是至关重要的。 例如,燃烧室内壁表面粗糙度的增加可以使空气流可更高效地冷却外衬套。而台架实验实际上是比建模和仿真(需要6个月)更便宜和更快的方法,因为当Ra> 3 / 5um时,其空气热动力学运动是不可预知的。

  因此,如果需要的话,就算加上表面后处理,比如高品质的超声波研磨(最终Ra <0.05um)3D打印仍然是一个时间上和经济上可行的解决方案。由于可以进行台架实验,因此一个完整的燃烧室设计所需的仿真、制造模具时间(6个月)可以完全淘汰。

  因此,让我们计算一下,使用SLM技术制造一个燃烧室,如果使用耐高温镍基合金粉末(每100公斤80—100美元)和大型SLM生产设备,如EOS M400(市场价140万欧元)或Concept Xline 1000R(市场价150万欧元),氩惰性气体(每8瓶500—1000美元),仍然要比传统的制造方式便宜20嬰/font]30%。

  综上所述,在燃气涡轮发动机燃烧室的制造中使用选择性激光熔融(SLM)技术要比传统制造方式缩短超过5个月的生产周期和节省高达30%的制造成本。而这只是在制造阶段,在设计和原型阶段使用该技术可以加快零部件设计的迭代,同样可以大幅降低成本和减少时间。