中國航發集團：增材制造技術賦能航空發動機關鍵復雜構件快速研發
時間：2023-12-26 11:15 來源：《工程設計學報》 作者：admin 閱讀：次
增材制造（additive manufacturing，AM）技術，亦稱3D（three-dimensional）打印，是一種兼顧精確成形和高性能成形的一體化制造技術，因具有高柔性、快速成形、不受零件形狀復雜程度約束等優勢而深受航空航天領域工程研究人員的青睞。增材制造技術的基本原理為：首先在計算機中生成零件的三維CAD（computer aided design，計算機輔助設計）模型，然后分層切片，將零件的三維形狀信息轉化為一系列二維形狀信息，并在計算機控制下沿特定路徑逐層沉積材料，最終形成零件的三維近凈形實體［1-5］。目前，在航空航天領域內應用最成熟的增材制造技術是金屬材料的選區激光熔化（selective laser melting，SLM）技術［6-8］。
增材制造技術可以引導創新設計，提高部件與產品性能。2017年12月，美國通用電氣公司（General Electric Company，簡稱GE）研發的重型燃氣輪機的聯合循環發電效率突破64%，創造了新的世界紀錄，這歸功于燃燒室及噴嘴采用了創新設計與增材制造技術。美國SpaceX公司通過對火箭發動機中的鎳鉻高溫合金復雜結構進行拓撲優化設計，利用德國EOS公司的金屬3D打印設備實現了材料“高強度、延展性、抗斷裂性和低可變性”等優良屬性。但是，先進航空發動機材料加工難、部件形狀與結構復雜、加工精度要求高的特點，仍然制約著發動機中薄壁、深腔、內流道等復雜零部件效能最大化的制造能力［9-10］。
增材制造技術還可以大大減少零件數量，降低研制成本。GE公司最新研發的ATP（advanced turbine propeller，先進渦輪螺旋槳）發動機是一類由深度3D打印制造的發動機，其超過三分之一的零部件采用增材制造，發動機零件數量減少了30%以上。其中，典型燃油噴嘴的零部件數量由20個減至1個，產品可靠性提升4倍，質量減輕了25%。但目前航空發動機典型復雜構件的增材制造技術仍存在難以兼顧效率和成本的問題，部分構件已突破增材制造“控形”問題，但“控性”難度大，面臨著諸如高沉積速率下尺寸精度低及性能控制難等問題[11-13]。關注公眾號: 兩機動力先行，聚焦兩機關鍵技術！
增材制造技術也可使設計迭代變快，大大縮短研制周期。NASA（National Aeronautics and Space Administration，美國國家航空航天局）采用concurrent（同時迭代）來描述基于增材制造技術的產品的快速迭代過程，在2個月內就解決了按傳統方法制造的火箭發動機軸與輪轂不合格的問題。但航空發動機中諸如控制系統等系統級構架，由于其控制對象的復雜性和控制參數的多樣性，在研發過程中仍面臨著設計約束多、加工難度大、迭代周期長等問題。
綜上，筆者基于數字化模型驅動和SLM增材制造技術相融合的方法，對航空發動機控制系統復雜構件（如燃油泵殼體、調節器殼體）的快速研制與迭代優化進行了研究。
1 基于數字化模型驅動的正向快速研發迭代與模型傳遞過程
針對航空發動機控制系統復雜多腔內流道構件的研制需求，建立了基于數字化模型驅動的正向快速研發模式，如圖1所示，打通“設計—仿真—制造—驗證—認證”一體化迭代流程，實現系統級產品功能和性能最優化。該雙“V”形快速研發模式的核心是：從需求概念級模型到真實物理級實體是完全基于增材制造使能（3D使能）的模型驅動式數字線程來實現，其中數字線程包括需求信息、設計信息、材料參數、工藝參數以及測試驗證數據等信息。
圖1 基于數字化模型驅動的正向快速研發模式
由虛擬模型到物理模型的數字化傳遞過程如圖2所示，主要分為3個過程：結構模型設計過程、工藝模型設計過程和模型打印實現過程。
圖2 由虛擬模型到物理模型的數字化傳遞過程
在結構模型設計過程中，首先根據航空發動機控制系統功能需求進行指標分析與架構設計，同時結合發動機控制系統原型進行相關物理參數定義，在功能需求與系統架構設計約束下開展三維結構模型設計，并運用拓撲優化、等壁厚包絡設計方法等實現復雜油路空間布局、結構強度、質量等多個指標的全局最優，最終實現面向增材制造工藝的控制系統復雜構件集約化結構模型的構建；然后采用多物理場聯合仿真技術，綜合考慮實際運行場景下熱場、應力場、流場、電磁場等載荷效應，將仿真結果直接迭代回歸至集約化模型，實現設計端的快速迭代優化；最后是結構設計與工藝設計的符合性確認，由于增材制造工藝的特殊性，需要對結構模型的關鍵表面進行工藝設計（余量設計），以此保證足夠的精加工余量，完成符合性確認后才能將結構模型傳遞至下一過程。
工藝模型設計主要是進行虛擬仿真成形，實現模型成形方向和支撐設計、成形工藝仿真、參數化機器語言三者間的迭代優化。將從上一過程傳遞來的模型（工藝設計結果）導入虛擬打印平臺，進行初步成形方向和支撐結構設計。對于發動機控制系統復雜構件而言，合理的成形方向不僅可以避免截面突變帶來的打印風險，還能提高內部流道的成形質量；支撐結構設計是為保證在支撐面積最小的條件下實現成功打印。驗證支撐結構設計是否合理以及工藝參數是否最優，需要采用多尺度成形工藝仿真方法進行迭代優化。將最終的工藝支撐模型進行切片分層處理，并根據工藝仿真結果設置打印工藝參數，利用一系列參數化的機器語言控制設備進行打印成形。
模型打印實現過程包含將數字化結構模型轉化為實體構件及構件質量性能檢測的所有過程。由于虛擬仿真成形不能百分之百預測實際打印過程中的所有問題，且金屬粉末床熔融過程非常復雜，因此虛擬仿真成形質量的過程控制顯得尤為重要。在該過程控制中，氧含量對構件的冶金質量有重要影響，因此需將成形過程的氧含量控制在合理范圍內；熔池以及構件表面溫度變化對熔池穩定性、缺陷產生傾向、熱應力演化很敏感，可借助紅外熱成像等技術對成形過程溫度進行實時監測，為工藝優化提供數據支撐；同時，設備內置的監控相機可實現鋪粉、燒結質量的實時監測，以及時發現打印風險，形成質量保證與質量追溯的閉環控制系統。
2 面向增材制造的設計
2.1 面向增材制造的創新結構設計
面向增材制造的設計（design for additive manufacturing，DFAM）改變了傳統的設計理念，從零件的三維CAD模型出發，無需模具，直接制造零件，大大降低了成本和縮短了研制周期［14-17］。以輕量化、集約化為目標的DFAM的技術路徑如圖3所示。
以某型航空發動機燃油控制裝置設計為例，由于傳統制造工藝的限制，殼體內部錯綜復雜的油路給殼體的高效加工制造帶來了巨大挑戰。若設計成供油模塊殼體和計量模塊殼體組合而成的分體式結構，如圖4（a）所示，減重效果非常有限，航空發動機燃油控制裝置經濟性較差。而采用DFAM，從功能優先的設計角度出發，根據功能性需求設計出所需復雜構件的幾何形狀和內部構造，再進行功能模塊的集成一體化設計，則可實現復雜構件的輕量化、集約化設計目標，基于DFAM的復雜構件結構如圖4（b）所示，而后，經過一系列的增材制造工藝過程，便可實現真實復雜殼體的加工制造，如圖4（c）所示。
圖3 面向增材制造的結構設計技術路徑
圖4 某型發動機燃油控制裝置復雜殼體結構設計
2.2 多物理場聯合仿真優化
針對基于DFAM的復雜構件結構設計模型，需要通過多物理場聯合仿真的快速迭代優化和驗證來證明該設計模型是否為有限約束條件下的全局最優化設計。復雜構件的振動/模態仿真和結構強度仿真屬于應力場的動靜態特性仿真，可利用有限元方法仿真得到復雜構件在極限載荷下的動靜態特性；流場仿真主要是依據銳邊節流孔假設和計算流體動力學（computational fluid dynamics，CFD）理論來對復雜構件內部復雜油路的壓力損失和波動特性進行仿真優化；熱場仿真則是對復雜構件由內向外的散熱特性和由外向內的防火/耐火特性進行動態熱平衡（補償/抑制）設計的仿真優化。航空發動機復雜構件多物理場聯合仿真優化如圖5所示。經聯合仿真優化后，得到最終的復雜構件結構設計模型。
2.3 工藝設計與仿真優化
2.3.1 余量設計和支撐設計
基于增材制造的工藝設計包括工藝余量設計和工藝支撐設計，其設計路徑為：將完成工藝余量設計的工藝余量模型傳遞至工藝支撐設計中，經優化后最終生成帶有工藝余量的工藝支撐模型，其具體技術流程如圖6所示。
在工藝余量設計過程中，首先將三維結構模型擬精加工表面進行標記處理，以區別于模型其他表面；然后根據工藝余量設計指南等約束文件對標記表面進行余量設計，設計時應充分考慮精加工的可切削性、材料利用率、對后處理的影響等；最后進行余量檢查，即在裝配模塊中，將三維結構模型與工藝余量模型進行數模對比，判斷每個標記面的余量設置是否正確，若全部滿足要求則輸出工藝余量設計模型。
圖5 航空發動機復雜構件多物理場聯合仿真優化
圖6 基于增材制造的工藝設計流程
在工藝支撐設計過程中，首先將工藝余量模型導入支撐設計軟件平臺進行復雜構件成形角度優化評估，基于支撐面積最小、流道成形質量最佳、打印面積最小且不宜有面積突變情況等原則設計構件的最優擺放角度；然后考慮復雜構件的成形復雜性，進行支撐的自定義設計，主要包括支撐臨界角度優化、非必要支撐面刪除和高風險支撐面添加等；最后在專用支撐數據庫中提取相關的支撐類型與參數，生成工藝支撐模型。需要注意的是，工藝支撐設計需結合工藝仿真進行虛擬驗證，從而實現支撐設計優化的快速迭代。
2.3.2 工藝仿真優化
金屬SLM成形的特點是粉末材料的逐點沉積，因此對熔池尺度的工藝仿真是解析成形微觀機理的關鍵，同時也是進行工藝參數優化的有效途徑。當研究對象為宏觀尺度構件時，應重點關注對宏觀構件產生顯著影響的因素，如溫度和應力。綜合考慮構件的微觀與宏觀特性，提出了多尺度聯合工藝仿真優化方法，如圖7所示，主要涉及熔池級熱-固耦合與構件級應力-變形的跨尺度仿真過程。
SLM增材制造過程涉及的工藝參數眾多，包括激光功率、光斑直徑、掃描速度、掃描路徑、搭接率等，各工藝參數間存在強耦合且相互影響，因此難以實現對成形微觀過程的完整解析和工藝優化。熔池尺度的工藝仿真涉及熔池熱量的傳輸、熔池與粉末顆粒的交互、熔池形態演化、熔池穩定性、熔池動力學等諸多復雜物理現象，通過建立工藝參數與上述物理現象的解耦敏感度模型，實現工藝參數的最優篩選。當研究對象為實際構件時，構件形狀復雜程度對其溫度場分布、熱應力和熱變形的影響尤為顯著，通過多尺度聯合工藝仿真，可快速建立構件的成形、基板切割、熱處理、去支撐等一系列虛擬制造過程，根據仿真結果對構件結構設計、成形方向設計、支撐設計的合理性進行評估與優化，并預測打印過程可能存在的風險與隱患，為實際打印過程提供仿真數據支持。
圖7 航空發動機復雜構件多尺度聯合工藝仿真優化方法
3 增材制造實現的關鍵技術問題
3.1 金屬粉末原材料的質量
金屬粉末原材料的質量對增材制造效率和最終產品的性能至關重要。在材料層形成時，金屬粉末的流動、壓縮是產品性能的決定性因素；金屬粉末物理特性的差異性可導致堆積密度不一致、分層明顯，最終導致產品抗拉強度低以及表面光潔度不夠。研究表明，并非所有的金屬粉末都適用于增材制造，由于受到形貌、顆粒尺度、流動性等因素的影響，有些粉末在成形過程中會產生球化、孔隙、裂紋等缺陷。鑒于航空發動機零部件嚴苛的運行工作環境及可靠性、安全性要求，對金屬粉末原材料的質量要求就更高，因此在一定程度上制約了國內增材制造技術在航空發動機中的應用［18］。
粉末原材料特性主要包括物理特性和化學特性，其中物理特性包括粉末顆粒的球形度、粒徑分布、流動性和松裝密度等；化學特性包括粉末顆粒的合金元素含量，氧、氮、氫含量，合金粉末純度，粉末抗氧化性等。目前，國內還沒有成熟的評價方法或標準來判定金屬粉末材料對成形工藝的適用性。結合實際工程應用實踐，總結出金屬粉末原材料特性、質量控制和過程傳遞三者的相互關系和控制邏輯，如圖8所示。在實際打印前，每批次粉末均應經過嚴格的質量檢測，如元素含量檢測、清潔度檢測、夾雜物檢測、流動性檢測、粒徑分布檢測及球形度檢測等，并根據頂層約束判定檢測結果是否滿足要求，只有滿足檢測要求的粉末才能用于增材制造。檢測合格的粉末經混粉、篩分、烘干和裝填等步驟傳遞至打印設備粉倉進行打印。打印結束后剩余粉末進行循環使用前，仍有必要對循環粉末進行質量檢測，特別是經多次循環后的粉末，若粉末的球形度、氧含量等指標惡化，應更換新粉進行打印。
圖8 金屬粉末原材料特性、質量控制和過程傳遞之間的相互關系
3.2 快速成形制造
在復雜構件的快速成形制造過程中，打印過程的閉環控制是實現成功打印的關鍵，具體快速成形制造過程如圖9所示。
圖9 復雜構件快速成形制造過程
在原材料準備階段，進行粉末原材料的物理特性和化學特性檢測、多批次粉末循環使用質量控制、篩分、烘干等，確保成形源頭的質量可靠性；在設備調節與打印階段，根據操作標準和作業規范進行設備調節與打印，確保打印過程的可重復性；在過程監控階段，通過使用嵌入設備的紅外熱成像儀、高分辨率相機等硬件，對成形過程的溫度、打印質量進行實時監控，以及時發現并解決打印過程中出現的問題，并對數據進行采集保存，以備后期的質量追溯；在取件與清粉階段，依據工藝規范進行操作，同時對剩余粉末進行質量檢測后傳遞至原材料端，完成發動機復雜構件快速成形制造的閉環控制過程。3.3 后處理技術
增材制造成形的構件需經過特定的后處理后才能最大程度地發揮其應有的性能。基于增材制造的航空發動機控制系統復雜構件的后處理主要包括熱處理、噴砂、噴丸、化學光整和磨粒流體光整等，如圖10所示。關注公眾號: 兩機動力先行，聚焦兩機關鍵技術！
SLM增材制造成形過程中高溫梯度、快冷卻速度使構件內部微觀組織極為細小，構件性能普遍優于鑄件或與鍛件相當。熱處理可實現強度與塑性的最佳匹配，從而顯著提高構件的綜合力學性能，通常采用（真空）熱處理爐或熱等靜壓（hot isostatic pressing,HIP）方式；噴砂、噴丸作為一種外表面處理技術，可對成形構件外表面粘粉、氧化皮等物質進行有效機械去除，使構件外表面粗糙度得到一定程度的改善（通常可提高到Ra6.3 μm）；化學光整主要通過能與構件發生化學反應的特定濃度酸堿液交替對構件進行清洗，使得構件金屬表面與溶液發生輕微化學反應以去除相應材料，實現構件內外表面非選擇性光整；磨粒流體光整屬機械選擇性拋光，通過一定壓力將半固態磨料壓入構件某一條或多條流道內，由磨粒與流道內表面產生的磨削作用去除材料，實現復雜構件內表面的光整加工。通過調節磨料特性，并配合專用工裝，可使流道內表面獲得較高的表面質量（甚至達到鏡面），因此特別適合對航空發動機控制系統復雜構件內流道進行光整處理。
圖10 基于增材制造的航空發動機復雜構件的后處理
3.4 質量檢測評估與驗證
產品質量檢測評估與驗證是增材制造產品真正實現工程化應用的關鍵步驟，具體實施途徑如圖11所示，主要包括產品質量檢測、產品功能和性能驗證與產品符合性認證三部分，通過對產品進行逐級評估與驗證，最終達到適航認證目標。
圖11 基于增材制造的產品質量檢測評估與驗證流程
完成成形構件后處理流程后，首先進行產品零部件質量檢測，從控形/控性的角度分別對產品的尺寸精度、表面精度等形貌特性，成形缺陷，力學特性、高頻疲勞特性等性能進行檢測；在零部件質量檢測滿足要求的基礎上，再進行配裝產品的功能和性能驗證，如根據產品使用場景開展流量壓力特性考核和環境驗證考核等；而后開展系統級產品綜合驗證和整機級臺架試驗考核；最后，進行與適航認證相關的一系列驗證與確認，確保滿足飛行安全性要求。
對于任何一個產品來說，在產品質量檢測評估與驗證過程每一階段形成的質量信息數據，均包含產品檢測和驗證的所有數據信息，因此每個特定的產品均對應與其自身質量性能相關的特定數據。數據由管理平臺進行管理形成產品質量信息數據庫，并跟隨產品服役的全生命周期過程，這不僅可以為系統級產品滿足適航要求提供保障，而且可對服役過程中發生的任何產品局部損傷、失效等問題進行追溯、分析與查證。此外，產品質量信息數據庫中產品檢測與評估的相關數據可回歸迭代至工藝模型和成形參數，產品功能和性能驗證和符合性認證的相關數據可回歸迭代至設計模型和仿真模型，實現模型和參數的修正與優化。
4 工程應用實踐
以某型渦軸發動機燃油調節器離心泵研發為例，采用基于數字化模型驅動和SLM增材制造技術的快速研發迭代技術，從需求/概念開始，經過一維架構設計、三維結構設計、多物理場仿真優化、模型審查與確認、工藝設計與仿真優化、成形與后處理、質量檢測評估和裝置級試驗驗證等八大步驟，在創新結構設計、工藝仿真、成形質量等方面進行了突破，其具體實現過程如圖12所示。將建模、仿真和優化融為一體，完全實現了由需求概念到真實物理級產品快速、高效、可靠的交付，研制周期由傳統研發模式的1年以上縮短為現在的不足3個月，同時產品的零部件數量減少10%，質量減小約20%，大大節約了產品的研制成本，目前已通過了部件試驗、數控系統半物理模擬試驗、發動機臺架試驗以及相關環境驗證考核，試驗結果表明各項指標性能均符合設計和制造要求。
圖12 渦軸發動機燃油調節器離心泵快速研發迭代的實現過程
5 結論
提出了基于數字化模型驅動和SLM增材制造技術的航空發動機控制系統復雜構件快速研發迭代技術，通過研究與工程應用實踐，得到了如下結論：
1）基于數字化模型驅動和SLM增材制造技術的快速研發迭代技術，可實現設計制造一體化，針對航空發動機控制系統的需求概念到結構、工藝設計，基于數字化模型驅動的正向研發模式，減少了試錯環節，提高了研發效率，為航空發動機控制系統研發模式轉型升級奠定了基礎。
2）面向SLM增材制造技術的復雜構件輕量化、集約化設計與成形制造，為航空航天復雜構件設計提供了一種高柔性、短周期、低成本的使能手段，不僅突破了傳統機械加工工藝的局限性，而且促進形成了航空航天復雜構件創新結構設計的思路，引導設計與制造向功能一體化的“自由設計、簡單制造”方向發展。
3）研究促進了航空發動機關鍵系統和部件向輕量化、集約化、高性能、高可靠性方向發展，為航空發動機正向自主研發提供了全新的完整的解決方案。
(責任編輯：admin)
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