重大突破：我國多金屬3D打印航空發(fā)動機整體渦輪葉盤，首次通過試車考核！

3D打印技術(shù)參考于1月20日注意到，中國科技網(wǎng)發(fā)表文章指出，中科院工程熱物理研究所采用多金屬3D打印制造的整體渦輪葉盤首次通過點火試車考核。

這是3D打印領(lǐng)域的一項重要突破，主要原因在于：這是全球3D打印行業(yè)內(nèi)首次有報道多材料金屬3D打印的高速旋轉(zhuǎn)部件通過試車；這同時代表我國在多材料金屬3D打印應(yīng)用方面取得領(lǐng)先。

長期以來，多材料金屬3D打印一直是全球領(lǐng)先機構(gòu)研究的熱點。科研技術(shù)人員需要解決異種材料連接以及應(yīng)當(dāng)采用怎樣的形式進行連接等核心問題。目前報道較多的應(yīng)用，多數(shù)是零件本身不需要高速運動，屬于相對靜態(tài)工作部件，如散熱器、火箭發(fā)動機燃燒室等。而渦輪葉盤不一樣，它需要高速運動。

圖文無關(guān)，僅作演示發(fā)動機運行過程

報道指出，此次測試的渦輪葉盤采用兩種材料制造——盤芯采用高韌性材料，葉片采用耐高溫材料，由3D打印技術(shù)實現(xiàn)一體化制造。

該葉盤被被配裝在100公斤推力的渦噴發(fā)動機中，先后通過了動平衡試驗、超轉(zhuǎn)試驗和整機點火試車，在30000RPS轉(zhuǎn)速下60s穩(wěn)定工作，各項指標(biāo)滿足考核要求。它的重大意義就在于，首次實現(xiàn)了多金屬增材制造航空發(fā)動機熱端轉(zhuǎn)動部件點火試車，初步驗證了多金屬3D打印整體渦輪葉盤的穩(wěn)定性和可靠性。

整體渦輪葉盤點火試車（受訪者供圖，來自中國科技網(wǎng)）

雖然報道并未指出所采用的3D打印形式，從理論上講，可以采用LPBF+DED，LPBF+冷噴涂，以及單一LPBF等技術(shù)形式。但筆者認(rèn)為最可能是，它是由單一的激光粉末床熔融技術(shù)制造。

對此，筆者特意查詢了中科院工程熱物理研究所關(guān)于多材料金屬3D打印的專利，確有驚喜發(fā)現(xiàn)。該單位目前已獲得多項關(guān)于激光粉末床熔融多材料3D打印的專利，涉及吸粉路徑規(guī)劃方法、送粉路徑規(guī)劃方法以及整體增材制造系統(tǒng)。

??解決多材料金屬3D打印制造效率低和尺寸小的難題

對于LPBF多材料金屬3D打印而言，在材料方面最困難的是過渡問題，在設(shè)備方面最難破解的是粉末的混雜問題。針對粉末混雜，目前的主流方式是采用“獨立運動送粉+獨立運動吸粉”，但實際上并不是每家都能做得很好。

LPBF多材料3D打印面臨的混粉問題

Fraunhofer IGCV 實驗室的多材料SLM? 280 2.0 機器內(nèi)部視圖

中科院工程熱物理研究所的相關(guān)專利提到，現(xiàn)有技術(shù)的主要缺點在于成形效率低，需要用精細(xì)的送粉噴嘴和真空吸粉嘴來對多種材料進行粉末的鋪設(shè)和回收，導(dǎo)致操作復(fù)雜度增加，效率較低。另外，該裝置很難實現(xiàn)大尺寸零件的三維制造。

整體渦輪葉盤超轉(zhuǎn)試驗（受訪者供圖）

現(xiàn)有多材料增材制造技術(shù)仍有改進的空間和需求。該單位對多材料金屬3D打印的設(shè)備進行了改進，實現(xiàn)了鋪粉與吸粉的同步進行，顯著提高了成形效率。同時，送粉裝置也同步進行了改進，可以實現(xiàn)大尺寸零件的連續(xù)成形。此外，設(shè)備還配備了視覺相機，用于輔助第二粉末材料的鋪設(shè)和回收過程，實現(xiàn)了鋪粉和回收精確化的目的。

??解決異種金屬材料連接的難題

雙金屬一體結(jié)構(gòu)也可稱之為梯度結(jié)構(gòu)，主要技術(shù)難點在于異種材料過渡界面的質(zhì)量控制及性能表征。基于熔融的技術(shù)涉及熔化，兩種金屬的熱膨脹系數(shù)通常不一樣，接縫處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，出現(xiàn)裂紋、孔隙和偏析等有害相。

報道指出，中科院工程熱物理研究所航空宇航制造實驗室，長期開展多材料金屬3D打印關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，攻克了該領(lǐng)域面臨的異種金屬連接難題，開發(fā)出了相應(yīng)的過渡層材料，實現(xiàn)了界面缺陷控制。

Aerosint公司已開發(fā)的多材料一體成形體系

此次整體渦輪葉盤制造并試車成功，是該單位多材料3D打印裝備、材料科學(xué)研究的重要展示。基于高速運轉(zhuǎn)部件的特殊屬性，這一成果顯示出我國在該領(lǐng)域已取得領(lǐng)先地位。

多材料金屬3D打印具有高價值應(yīng)用和高回報的特性。不同物理特性的多種材料的一體3D打印，為高度復(fù)雜、輕量級的組件制造提供前所未有的設(shè)計自由度，在航空航天、船舶等領(lǐng)域具有多種應(yīng)用場景，將為我國高端制造重大裝備突破技術(shù)瓶頸、實現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展帶來新的解決方案。

注：本文由3D打印技術(shù)參考創(chuàng)作，未經(jīng)聯(lián)系授權(quán)，謝絕轉(zhuǎn)載。

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