航空发动机关键材料激光增材制造的进展与展望（Ⅰ）

时间：2021-11-15 11:16 来源：江苏激光联盟作者：admin 阅读：次

       由于高价值零件的高混合低批量生产、集成复杂零件几何结构和简化的制造工作流程的巨大需求，航空航天是增材制造制造（AM）发展的关键市场驱动力。航空发动机材料的激光增材制造（LAM）取得了快速而显著的进展，包括先进的高强度钢、镍基高温合金和钛基合金。尽管研究界对这三类材料进行了广泛的调查，但对高强度钢的LAM缺乏全面的审查，在已发表的关于钛基合金和镍基高温合金的审查中也存在差距。
       此外，尽管新兴材料（如高/中熵合金和异质结构材料）具有良好的机械性能，但在实际应用于发动机零件之前，仍然需要严格的表征、测试、鉴定和认证。因此，深入了解这些广泛使用的航空发动机材料的工艺参数-微观结构-机械性能之间的关系，对于推动优质高价值合金的发展仍然十分重要。
      本综述旨在对上述航空发动机材料的激光粉末床聚变（LPBF）和激光定向能量沉积（LDED）技术进行关键和深入的评估。该综述将总结这些航空发动机材料的材料特性、性能范围，并概述这些材料的研究差距。此外，还强调了对航空发动机材料的研究机会、材料开发和LAM新研发方法的展望。

图形摘要，从工艺窗口、微观结构特征、机械性能及其相互关系（内圈）等方面全面回顾了激光增材制造（LAM）工艺和关键航空发动机材料的最新发展状况。在此基础上，还强调了航空航天部件的研究机会、材料开发和新研发方法的前景（外圈）。

1. 介绍
1．1. 增材制造市场趋势
作为高价值产品行业，航空航天行业一直是先进制造技术发展和采用的强大推动力。随着航空工业对节能减排、轻量化、可靠性和舒适性的要求越来越高，飞机制造需要越来越多的高性能材料和新设计。传统的制造工艺已经达到了满足要求的极限。因为AM具有独特的优势和可行性，可以克服制造几何形状、材料、性能和功能等复杂部件所带来的挑战。因此增材制造(AM)的快速发展为满足这些行业需求提供了可能性。

它为高精度制造复杂、复合和混合结构提供了前所未有的设计自由，这是传统制造路线无法实现的。AM的上述优势在航空航天、汽车、电子、医疗、军事、建筑等行业的广泛工业应用中得到了充分发挥和应用。全球AM市场规模从2013年的约30亿美元迅速增长到2019年的118.67亿美元，如图1所示，近年来年增长率均超过20%。随着AM行业市场规模的扩大，航空航天行业在2019年将迅速接近20亿美元。

图1 Wohlers报告了2014 - 2020报告总结了2013-2019年各行业增材制造的市场规模

在过去的30年里，AM在越来越多的应用领域得到了应用。《state of the industry》是一份领先的年度“行业状况”报告，它每年进行一次调查，以找出AM的用途。2011年 Wohlers报告给出了如下关于AM使用区域的数据。

增材制造目前应用的领域，摘自T.Wohlers全球年度进展报告，2011，ISBN 0 975 44 29 - 6-1

１．２．增材制造对航空航天工业的好处
AM在航空航天行业的应用占据了整个AM市场的很大一部分，这是由于以下优势对该行业的适用性。

(1）几何设计和优化的自由度。AM使增材制造原料转换成自由形式的3D组件，如复杂的外部形状和建筑几何结构。AM还允许拓扑优化，以制造轻量级组件，通常使用晶格结构，同时提供同等甚至更高的机械性能。

（2）功能集成和部件整合。AM能够生产具有定制材料结构的集成多功能部件，如功能梯度材料（FGM）。图2a提供了AM为增强功能而生产的功能性多材料燃烧室的示例，其中Inconel沉积在铜合金表面上。此外，还可以通过使用AM实现零件整合，从而实现特征集成，并提高可靠性和性能。

图2 (a) Inconel-copper多材料燃烧室，以及(b)用于LauncherEngine-2的LAM大型单部分燃烧室，燃烧室高86厘米，出口喷嘴直径41厘米(来自Launcher aerospace);(c)伯明翰大学AMP实验室LAMed发动机;(d) GE增材制造的喷嘴和(e)燃烧室(来自GE AM);(f)由LAM生产的Inconel718喷嘴环(来自SIMTech)。

传统上，复杂的航空航天组件由多个简单零件组装而成，与激光增材制造（LAM）整合组件相比，这可能会降低可靠性和几何精度，同时增加持续性维护成本。如图2b所示，世界上最大的单部件燃烧室由Launcher aerospace使用LAM制造，用于Launcher Engine-2，为小型卫星发射器提供了最低的推进剂消耗和每磅推力成本。将多个零件整合成一个整体可以降低成本，实现高性能再生冷却设计。此外，伯明翰大学的AMP实验室也强调了使用LAM方法将数千个发动机部件合并成多个部件的可行性，如图2C所示。

在使用气体辅助注射成型技术开发程序时，经常忽略的一个因素是所涉及的额外成本。除了许可费用和专利使用费，设备成本加上过程中使用的氮气也必须考虑在内。此外，模具的成本可能会高于标准注射成型，因为除了通过喷嘴技术，气体喷射喷嘴必须集成到模具中。

这些增加的成本必须收回。可能有助于收回成本的一些因素是:

零件合并导致更少的模具，更少的机器利用率和减少或消除组装
使用低吨位机器
质量改进的部分
减少周期时间
更少的废品
更轻的重量(更轻，更少的材料)

（3）材料和能源效率。就材料使用而言，LPBF的材料损耗约为5%，远低于传统的减法制造，减法制造可产生高达95%的材料损耗。通用电气（GE）使用LAM设计和加工燃料喷嘴（见图2d），以减轻重量（25%）并降低燃料消耗，从而将成本效率提高30%。图2e和图f所示的片状燃烧室和喷嘴环是典型的材料节约案例，具有近净形状形成，与传统的锻造铸锭加工相反，后者将浪费大部分材料。

此外，通过使用LAM实现飞机部件的重量减轻是降低燃油消耗的非常有效的措施。据报道，商用飞机每减轻一公斤重量，每年可节省约3000美元的燃油，并大幅减少碳排放。

实验燃烧器的原理图如图所示。它的特点是一个空气辅助燃料喷嘴，名义上额定每小时0.5加仑。在本研究中，煤油作为燃料，空气作为雾化气体。

实验用双同心喷雾燃烧器。尺寸单位为mm

工业GTs的燃烧室部件，如燃烧器或内衬，是大型、厚壁元件，由铸造或焊接的镍基或钴基合金(图9.9)。这些部件的侧壁与燃烧气体直接接触，燃烧温度为1400-1700°C。15另一方面，墙体通过压缩空气冷却，将材料的温度限制在900°C左右的可接受水平，以满足机械和环境负荷的要求。

HGP中的涂层部件:带有内衬段的燃烧室、带有涂层叶片和叶片的燃烧器和涡轮。

(4)定制和小批量生产。与传统制造工艺相比，大批量生产的LAM往往更昂贵。然而，考虑到模具制造、加工工具和库存的高投资成本，LAM对于航空航天行业常见的小批量定制零件更具成本效益。

传统的制造工艺路线严重限制了经济地制造复杂形状零件的自由度，尤其是当需要小批量时。生物医学行业是受传统制造限制的应用的一个明显例子，因为它需要为每个患者定制非常复杂的形状。替代方法包括逆向工程和快速原型制造，已经得到了广泛的关注，分层加工方法的发展逐渐演变为附加制造。

3D打印技术在任何形式的材料结构（如长丝、粉末或树脂）中的成功在很大程度上取决于加工技术。因此，通过工艺参数选择合适的材料形式对实现目标性能起着至关重要的作用。对于复合材料而言，确定基体和钢筋之间的界面至关重要，因为当界面足够坚固以避免脱粘和纤维拉拔时，复合材料的强度会提高。其他需要考虑的参数包括形状、尺寸、方向和基体钢筋的分布。材料的微观结构分析是执行的合适方法。

PMMA粉末的扫描电子图像

例如，上图显示了用于评估选择性激光烧结（SLS）工艺的颗粒尺寸和均匀性的PMMA粉末颗粒测量。选择性激光烧结工艺的推荐粒度为50–70μm。然而，微观结构性能与混合规律成间接比例，复合材料的体积分数在决定三维结构性能方面具有重要作用。在某些情况下，复合材料需要均匀分布钢筋，尽管这很难实现。除了物理性能外，化学性能也是3D打印中考虑的关键因素。例如，热塑性塑料适用于SLS和熔融沉积建模（FDM）。另一方面，热固性塑料适用于材料喷射和立体光刻（SLA）。金属采用选择性激光熔化和粘合剂喷射工艺印刷。砂和粘土等陶瓷可以使用粘结剂喷射工艺进行处理。

(5)缩短了制造生命周期。近净成型LAM组件所需的较低加工时间的好处可以减少产品制造提前期。Rolls-Royce报告称，使用LAM可节省30%的生产时间，而波音公司则声称，零件数量和安装时间的减少导致总时间减少了50%。利勃海尔航空用额外制造的零件取代了传统的主飞行高压液压阀块组件，该零件重量减轻了35%，组件数量减少了10个；因此，将所需的制造时间减少75%以上。

切断阀的分解图

在隔断阀中，多个隔膜阀被机械地集成到一个阀体中，不同的供应商提供不同的配置，并且它们可以由不同的结构材料制成。上图显示了一个典型的块配置。阀块在流道中的优点包括更低的内部体积和显著减少工艺系统所需的管道。这里讨论的阀门部件对于单隔膜阀和隔断阀是一样的。单阀和隔断阀的维修和备件基本相同。

1.3. 动机和范围
在上述优势的推动下，航空航天行业一直在探索使用AM生产飞机部件，包括各种铰链、支架、内部部件、轻质机身、机身设计，甚至包括发动机部件，如带有内部冷却通道的涡轮叶片，燃料喷嘴、压缩机和集成管道系统。值得注意的是，航空发动机是飞机的心脏，是现代工业皇冠上的宝石。航空发动机最广泛使用的高价值材料是钢、镍基高温合金和钛合金，如图3所示。铝合金和复合材料不是航空发动机的主要组成部分；此外，还回顾了铝合金和颗粒增强金属基复合材料的LAM的最新进展。因此，本综述的重点是高强度钢、镍基高温合金和钛基合金。

图3 波音787飞机通用CF6涡轮发动机的材料分布适应与许可

尽管AM研究团体对这三种材料家族进行了广泛的调查，但没有对AM高强度钢进行全面的审查，也没有对钛合金和镍基高温合金进行最新进展审查。例如，最近对镍基高温合金的审查仅集中在Inconel 718上，为进一步涵盖新开发的镍基高温合金（例如WSU 150和单晶高温合金）提供了机会。尽管对Ti-6Al-4V的AM进行了大量报告审查，但对于Ti-6Al-4V以及TiAl合金等其他Ti合金的典型微观结构、竣工静态机械性能和片状Ti合金的疲劳性能，仍然缺乏更广泛和全面的总结。

12Cr-l的显微结构。5Mo-lW钢(热处理6455)，在不同温度下时效1000小时，在50%的HNO3中电解腐蚀，极性相反。

在不同温度下时效的冷轧12Cr-1.5Mo-lW钢的微观结构如图所示。当时效温度升高至700℃（1290℉）时，显微结构稳定。在700℃时，观察到一些晶内析出物的溶解和晶界析出物的粗化，但在此温度之前，未发生明显的微观结构变化。通过x射线衍射确定沉淀主要为M23C6。在725C（1340F）下，观察到再结晶和析出物粗化，这两种效应都随着温度的升高而加速。

此外，层状钛合金中一些最关键的问题，例如，如何在其建成状态下诱导高延展性以及等轴β和α结构的形成机制通常未被考虑。LAM工艺过程中复杂的激光-材料相互作用使得很难概括不同航空发动机材料的工艺参数-微观结构-力学性能之间的关系。深入了解不同航空发动机材料之间的这种关系，可以推动优质高价值航空发动机材料和先进尖端LAM设备的发展。然而，现有的综述倾向于关注这三种广泛使用的航空发动机材料中的一小部分。

这项工作的动机是对这些特定高性能合金的LAM进行严格和专门的审查，以总结其进展，并确定研究机会和差距。因此，本文对LAM处理的航空发动机材料进行了深入的综述，包括先进的高强度钢、镍基高温合金、钛合金和钛铝化物。

本文综述和阐述了LAM工艺特点、微观结构和织构演变、相形成和转变、力学性能以及研究趋势和前景。还将根据文献报告绘制这三类航空发动机材料在加工窗口、强度-延性组合、疲劳性能、室温/高温性能等方面的材料特性属性图。本评论旨在为研究人员提供关键航空发动机材料激光增材制造的完整最新信息，并鼓励在新型先进航空发动机材料的激光增材制造方面进行更具启发性的科学研究，以促进该技术在航空发动机行业的应用。

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