應(yīng)用案例│華曙3D打印將航空發(fā)動機(jī)火焰筒零件由9個優(yōu)化為1個

來源：華曙高科

燃燒室被稱為渦輪發(fā)動機(jī)的“心臟”，它承載著熱能傳遞和轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵任務(wù)：持續(xù)消耗大量的高壓空氣，源源不斷地將燃料的化學(xué)能量轉(zhuǎn)化為提供渦輪正常運(yùn)行所需的均勻熱能和穩(wěn)定氣流。

燃燒室中的火焰筒，沿著渦輪發(fā)動機(jī)的中心軸排布并與燃燒室殼體存在一定間隔�；鹧嫱驳膹�(fù)雜設(shè)計(jì)通常有眾多進(jìn)氣孔，可以使在其中產(chǎn)生的過熱氣體迅速噴射通過，以達(dá)到燃油的點(diǎn)火溫度。

作為燃燒室的關(guān)鍵部件，火焰筒必須承受極端的高溫和高壓工作條件，并滿足正常工作所需的可靠性和效率。

中國航空航天和船舶工業(yè)發(fā)動機(jī)燃燒室和燃油噴射系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域的領(lǐng)先專家——北京成立科技有限公司（以下簡稱北京成立），采用華曙高科金屬增材制造技術(shù)開發(fā)了具有更高耐久性和輕量化的3D打印火焰筒。


傳統(tǒng)工藝制造面臨的挑戰(zhàn)
可靠性是火焰筒設(shè)計(jì)的一個重要考慮因素。在高溫、腐蝕性氣體、湍流脈動氣流等極端工況下，火焰筒在工作過程中持續(xù)承受著極大的熱應(yīng)力。在這種極端工況下，常常會產(chǎn)生裂紋、燒蝕、剝落、變形等失效情況，因此火焰筒需要采用復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以達(dá)到所需的強(qiáng)度和功能。這些結(jié)構(gòu)包括濾筒、一次區(qū)、火焰筒體、氣孔和氣體放電等，都是用傳統(tǒng)方法難以制造的。

火焰筒壁設(shè)計(jì)有數(shù)百個不同尺寸的氣孔細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，包括一次空氣射流孔、二次空氣摻混射流孔和冷卻空氣射流孔。這些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和特征導(dǎo)致零件設(shè)計(jì)難以使用傳統(tǒng)工藝制造。以往使用傳統(tǒng)方法制造，火焰筒必須拆分為多個單獨(dú)的零件制造，分別通過多種切割、彎曲，最后通過焊接工藝進(jìn)行連接。

傳統(tǒng)工藝制造火焰筒的過程極其復(fù)雜，多種復(fù)雜的工序和眾多裝配的零件增加了操作過程中的誤差和損壞，這嚴(yán)重影響了火焰筒最終成品的可靠性，也直接導(dǎo)致了一直以來較高的測試失效率。與此同時(shí)，傳統(tǒng)工藝制造的裝配方式也給產(chǎn)品尺寸的精確控制帶來了極大困難，而精確的尺寸設(shè)計(jì)是保證燃燒過程高效率和氣流組織穩(wěn)定性的關(guān)鍵。此外，復(fù)雜的加工工序和裝配過程也導(dǎo)致了火焰筒設(shè)計(jì)開發(fā)過程中的設(shè)計(jì)迭代緩慢，制造周期長。

參數(shù)開源，定向開發(fā)燒結(jié)工藝
2017年初，北京成立采用了華曙金屬增材制造技術(shù)，以應(yīng)對航空發(fā)動機(jī)零部件設(shè)計(jì)制造過程中的挑戰(zhàn)。華曙高科的開源金屬增材系統(tǒng)為復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和開發(fā)火焰筒定制工藝參數(shù)提供了前所未有的自由度。

GH3536（UNS編號N06002）是一種廣泛用于航空航天渦輪燃燒室部件制造的鎳基高溫合金。此材料具有優(yōu)異的抗氧化性和耐腐蝕性，加工性能和焊接性能。通過華曙金屬增材制造系統(tǒng)打印GH3536材料，并結(jié)合不同的熱處理工藝，可開發(fā)出多種適合不同航空應(yīng)用的性能參數(shù)。

作為中國采用金屬增材技術(shù)的航空航天業(yè)先鋒，北京成立采用華曙金屬3D打印設(shè)備FS271M合作定向開發(fā)了GH3536的定制工藝參數(shù)，以達(dá)到其特定應(yīng)用所需的性能、熱處理工藝和表面質(zhì)量。得益于華曙的開源材料和開源參數(shù)的策略，成立航空能夠根據(jù)自身應(yīng)用發(fā)展需求，進(jìn)一步開發(fā)航空專用材料和定制化工藝參數(shù)。

一次成型，9個零件優(yōu)化為1個
經(jīng)過增材制造的設(shè)計(jì)優(yōu)化，原先需要分成9個單獨(dú)零件加工的火焰筒現(xiàn)在優(yōu)化為1個零件，并能通過華曙FS271M增材制造一次成型。

相比傳統(tǒng)制造，增材制造大大優(yōu)化了原先裝配工藝的復(fù)雜性，縮短了50%的生產(chǎn)周期，同時(shí)消除了因手工焊接造成的結(jié)構(gòu)缺陷，提高了結(jié)構(gòu)完整性、尺寸精度和生產(chǎn)成功率。通過增材制造打印，定制后處理工藝生產(chǎn)的火焰筒目前已通過高溫可靠性工況下的功能試驗(yàn)。

此外，與原傳統(tǒng)工藝相比，增材制造生產(chǎn)的火焰筒在滿足相同強(qiáng)度要求的前提下，重量減輕了20%。這一關(guān)鍵燃燒室部件的輕量化意味著燃料燃燒效率的改善，可實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的飛行距離，并提高飛行器的最大承載重量。此外，輕量化設(shè)計(jì)提高了燃燒燃油效率，有助于減少大氣污染。

得益于華曙先進(jìn)的掃描策略，打印完成的火焰管可實(shí)現(xiàn)6μm的極佳表面質(zhì)量，從而減少后處理的需求。精確的掃描路徑規(guī)劃可實(shí)現(xiàn)直徑為0.5mm風(fēng)孔等細(xì)節(jié)的打印。為金屬增材制造設(shè)計(jì)的火焰筒在保證設(shè)計(jì)功能的前提下，盡可能將額外的支撐結(jié)構(gòu)降到最少，從而降低后處理需求并提高成品表面質(zhì)量。

北京成立科技有限公司
“我們有充分的信心與華曙進(jìn)行深入的技術(shù)合作。使用華曙開源的設(shè)備平臺，我們的工程師可以充分去探索、開發(fā)多樣化的應(yīng)用工藝參數(shù)，這讓我們不斷從中受益。我們的團(tuán)隊(duì)目前使用的多臺華曙設(shè)備均處于滿負(fù)荷狀態(tài)，廣泛應(yīng)用增材制造來推動多個項(xiàng)目的研究和零部件生產(chǎn)，從設(shè)計(jì)原型、小批量生產(chǎn)到和零件認(rèn)證，涉及應(yīng)用的眾多部件包括燃料噴嘴、噴油環(huán)、主燃料管、燃燒室部件、渦輪葉片、發(fā)動機(jī)葉輪、渦流器等等。”

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