【技术前沿】航空发动机及燃气轮机用关键材料的激光增材制造研究进展
航空发动机被称为飞机的心脏,其发展水平是一个国家工业水平高低的标志之一。如今随着航空发动机发展的日趋成熟,对新一代发动机的高温强度、抗氧化抗腐蚀、抗疲劳和抗蠕变性能的要求越来越高,零件结构趋于复杂化,从而导致工序变多，生产量和生产效率低。传统的铸造、锻造等方法由于存在无法制造复杂结构零件生产周期过长等缺点难以满足当今对航空发动机的性能要求航空发动机和燃气轮机的关键部件主要由高强钢镍基高温合金和钦合金组成(图1)。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制造工作流程的巨大需求,航空航天是增材制造(additive manufacturing，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(laseradditive manufacturing，LAM)取得了显著进展包括先进的高强度钢、锦基高温合金和基合金。
01
增材制造技术分类
增材制造技术作为一种新兴技术打破了传统制造的观念，它可通过激光、电子束或电弧等作为能量来源将粉末、金属丝或薄板等原料材料固化为致密金属零件。在整个过程中可添加超声波、磁场等来辅助零件得到更好的性能明。最早增材制造技术只应用于制造产品的外观模型，随着新材料新工艺的不断发展增材制造金属加工的组成技术取得了重大进展，其中常见的增材制造技术有粉末床(pow-der bed fusion.PBF)和定向能量沉积(direct ener-gy deposition，DED)等。
粉末床熔化增材制造技术主要以激光和电子束为能量源，以金属粉末为原材料.通过逐层堆叠成形制备复杂构件主要包括激光粉末床熔化(la-ser powder bed fusion,LPBF)或激光选区熔化(se-lective laser melting,SLM),以及电子束粉末床熔化(electron beam powder bed fusion,EB-PBF)或电子束选区熔化(selective electron beam melting.SEBM).如图2(a)所示。LPBF和EB-PBF能制备出组织精密、致密性高、表面质量及综合性能良好的构件,并且该技术材料利用率高、生产周期短、体化成形等优点。其中，定向能量沉积技术是在激光熔覆技术的基础上发展而来，也是利用高能量密度的激光、电子束或电弧等作为热源,对粉末材料或金属丝材进行熔融，通过路径规划软件，选取合适的路径策略将其转换成所需的程序代码,机械结构按照规划完的路径带动激光头进行运动高能激光束不断熔融粉末材料，层层加工得到所需零件,如图2(b)所示向。
02
增材制造镍基高温合金及其应用
在航空发动机及重型燃气轮机不断提高推重比和功率的情况下，涡轮入口温度也随之不断升高，这对高温合金叶片的性能提出了越来越严苛的要求。镍基高温合金以y相为基体,y相，具有高强度、强抗氧化及耐腐蚀的优势是高温部件的重要材料,已经广泛应用于航空航天和燃气轮机的热端部件。随着凝固技术的发展镍基高温合金经历了从锻造等轴晶、柱状晶到单晶的变化,也带来了更优异的高温性能。由于叶片需要长期工作于高温高压、高腐蚀、高负荷的极端工作环境下。合格发动机叶片的研发和生产成本越来越高，为了降低航空发动机的制造成本,锦基高温合金应向低成本生产工艺、短生产周期的方向发展;同时,对于在长期严服役环境下出现表面缺陷的镍基高温合金叶片,相应的修复技术也应该得到大力发展.进一步降低叶片的成本。由于激光增材制造对材料的热影响区小，且高功率密度:同时激光增材制造可以获得高达10~10”K/m的温度梯度.能够保证修复过程中的材料单晶性完整性,是镍基单晶高温合金叶片修复和延寿的理想方法。
微观组织及力学性能特征
在镍基高温合金的SLM制造中,各工艺参数作用对样品性能会产生显著的影响。由 SLM工艺成形的镍基高温合金材料经过不同后处理工艺.如热等静压(hot isostatic pressing，HIP)、固处理(solution treatment,ST)、时效处理(aging treatment.AT)后.改善了材料的显微组织，材料的综合性能有了较大的提升。表1总结了SLM工艺制备的不同镍基高温合金经后处理的力学性能参数。
刘泽程等在SLM成形镍基高温合金过程中通过响应曲面法对激光功率扫描速度和扫描间距进行了工艺优化，并探究了各参数之间的关系发现扫描间距对试样相对密度的影响效果最大。其次是激光功率和扫描速度，通过等高线图的结果发现扫描速度与扫描间距的交瓦作用对于试样相对密度也有比较显著的影响。
典型应用案例
激光熔覆修复技术因其显著缩短成型时间、降低制造成本制造件性能优异、后续加工量少等优点是目前航空航天工业维修再延寿行业中研究的一大热点。增材制造技术潜在的商业应用价值和高性能优势首先被用于制造可焊高温合金如IN718镍基高温合金,然后逐步扩展到难以焊接高温合金的制造,以及定向凝固和单晶高温合金的制造。德国EOS公司法国Safran 公司等通过激光增材制造技术创造了极大的经济价值。2001年,Gumann等采用激光定向能量沉积(LDED)技术在单晶基底上沉积了如图4所示的单晶结构.这一进展证明了利用增材制造技术修复甚至直接制造单晶叶片的潜力。
美国的Los Alamos国家实验室针对镍基高温合金材料进行了大量的激光金属直接成形研究所制造的金属零件不仅形状复杂,且其力学性能接近甚至超过传统锻造技术制造的零件。如图5所示,增材制造技术已被应用于制造具有复杂形状和独特设计的各种镍基高温合金组件中.
03
增材制造钛合金及其应用
钛合金具有较高的比强度、良好的韧性、耐腐蚀性、耐高低温性、抗辐射等性能B1-33]是航空发动机重要的原材料之一,主要应用在压气机盘/机匣/压气机叶片/高压气机转子等部件I。近年来,钦合金在航空发动机中的用量越来越多,不同牌号的钦合金.根据相应的力学性能和服役温度,在航空发动机机匣、风扇、高低压压气机等部分零件服役。传统铸造/锻造+机械加工的方法虽然实现了盘、叶片类零件的高精度加工,但加工周期长、成本高、材料利用率低:且由于机械加工技术存在一定的局限性,零件结构形式的设计受到了限制而增材制造技术可实现不规则型面(包括外部内部的构件加工).实现无模具小余量的零件加工，大大缩短了零件的试制周期,提高了材料的利用率,减少了零件的试制成本。此外,增材制造技术可实现设计引导制造、功能性优先设计、最优化设计等大大提升了零件设计的自由度。因此,增材制造镇合金技术可广泛应用于航空发动机中的空心风扇叶片、空心风扇轮盘、涡轮叶片等零件研制。
微观组织特征
激光增材制造成形钦合金是一种典型的极端非平衡凝固过程,其中快速熔化和快速凝固行为完全偏离了常规制备工艺的平衡/近平衡凝固过程因此,激光增材制造中存在非均匀的热塑性，非均匀的显微组织及相变等,容易在零件中形成a'a"w等亚稳态相。如图 6(a)~(i)所示,LDED 激光增材制造铁合金的沉积态组织中。
典型应用案例
高性能钛合金增材制造技术在航空航天领域的应用最早开始于美国AeroMet 公司，该公司是世界上第一家掌握镇合金构件激光增材制造并成功实现装机应用的企业,并于2001年开始小批量为波音公司生产铁合金飞机零件。自“十五”开始中国多个研究机构开展了激光增材制造钵合金的应用研究,包括工艺研究、力学性能控制、成套装备研发及工程应用关键技术,并取得了较大进展GE公司的子公司Avio公司利用电子束选区熔融成形技术成功制造了 TiA1航空发动机低压涡轮叶片如图8(a)所示,在800C屈服强度可达480 MPa.具有良好的抗蠕变性能。自“十五”开始,中国多个研究机构开展了DED工艺研究力学性能学性能控制、成套装备研发及工程应用关键技术攻关,并取得了较大进展。中航工业北京航空制造工程研究所对某型号航空发动机镇合金斜流整体叶轮损伤部位进行了修复,如图8(b)所示，目前已顺利通过试车考核S。图8(c)显示了 GE公司依托西北工业大学 LSF技术所制造的 GE 90 发动机复合材料宽弦风扇叶片钦合金进气边和高温合金机匣。其中,钦合金进气边长1000 mm,壁厚0.8~1.2 mm,最终加工变形仅0.12 mm通过了GE公司的测试。
04
增材制造高强钢及其应用
高强钢具有高的强度及韧性.被广泛应用于航空、航天、动力冶金等领域。大型关键重载构件存在锻造难度大、对热加工要求高等问题,限制了其进一步发展和应用。增材制造技术可以实现金属构件的高性能精确快速成形,为高强度钢的制造提供了一条新途径。从节约能源、降低材料生产成本的方面考虑,利用增材制造技术制造高强钢仍然是未来的一个重要研究方向。高强钢可以大概被分为4个类别:高强不锈钢、低合金高强度钢中合金高强度钢和高合金高强度钢。高强不锈钢中,较为代表的有沉淀硬化不锈钢、马氏体不锈钢和马氏体时效钢531,如表3 所示。17-PH作为典型的沉淀硬化不锈钢,凭借第二相析出的强化作用,有着高强度、高耐腐蚀等优良性能,常见其应用在航空发动机各种精密零件上;马氏体不锈钢作为一种传统的可硬化铸造钢,例如 Cr-Ni钢在经过淬、回火等热处理工艺后,可拥有良好的耐腐蚀性、高强度和高耐磨性,广泛应用于汽轮机叶片、大型发动机组叶片和耐磨件等领域;对于马氏体时效钢，以18Ni300为例其优异的强度、韧性硬度、耐腐蚀性和耐磨损性，主要来源于固溶强化、相变强化和时效强化,在火箭和导弹的发动机及诸多领域都可见其应用。但高硬高强也同样为传统铸造工艺带来了不便,而增材制造技术则为该高强钢提供了一条新路径。
组织特点
增材制造具有与传统加工工艺不同的成形原理,其逐点、逐线、逐层的成形过程使得熔池在极短的时间内完成快速加热和冷却,因此具有非平衡凝固的特点,其组织特征也不同于传统的铸锻件。例如，由于激光增材制造技术的高冷却速度(LPBF为 10~10K/s54,LDED:10~10 K/s551)其制备的高强钢往往具有细化且均质化的微观组织特点
图9(a)~(i)分别为LPBF 和LDED 制造的18Ni300样品微观结构图156,LDED 下增材制造 18Ni300的熔池尺寸明显更大,如图 9(e)所示7。较大的熔池尺寸以及较低的激光扫描速度,有利于在较低的冷却速率下凝固5S。LPBF铺粉打印样品中的微观结构(图9(c))比LDED 处理样品中的微结构(图 9(f))精细得多5。对于打印态马氏体时效钢试样SLM 制造 18Ni300呈现出非常致密的结构，几乎没有微缺陷。从图9(c)和(d)可以看出,SLM 马氏体时效钢在不同时效时间下的微观结构显示出相似的模式，显示出具有非连续边界的晶胞结构。沉积态 18Ni300的EDS 面扫结果如图9(g)~()所示Fe元素作为合金中的主要元素在所选区域分布均匀,在胞状晶与胞状晶枝晶壁上均无明显偏析。图9(h)~(i)EDS 没有表现出 Ni Co、Mo等元素的偏析特征,说明其分布均匀。
高强钢主要依靠元素富集相和金属间化合物起到强化作用,例如 8-Cu和 Ni;T等,这些相的尺寸很小,通常在 10(+2) nm,但在增材制造高温度梯度下,这些强化相快速大量析出并分布弥散在各个区域53.6。如图10(a)所示王海霖等2在对SLM成形17-4PH析出相的扫描电镜结合能谱分析中发现,析出主要为球状含 Cr 为主的碳化物及少量Cu析出,8-Cu多为纳米级颗粒。而e-Cu一般在时效处理过程中形成,但 SLM打印过程的热传递效应起到了类似时效处理的作用,促成了 e-Cu的形成。如图 10(b)和 10(c)所示,Yan 等3在使用透射电子显微镜观察纳米结构和沉淀物分布时,发现了大量纳米颗粒,而这些纳米颗粒有利于固定位错线并提高SLM打印部件的强度。如图10(d)和 10(f)所示,门正兴等(65在研究SLM成形18Ni300的冲击韧性发现,熔池在快速冷却下会产生大量黑色析出相斑点(Ni,Mo或 Ni,Ti等),随着激光扫描速度的增加而增多,并在载荷作用下阻碍晶界滑移,进而影响冲击韧性。对于马氏体不锈钢 2Cr13,该材质制汽轮机叶片在通过 LDED 修复之后，其外观与表面质量都与原本无异甚至更佳。观察其显微组织发现,修复层由过饱和固溶体枝晶(Fe,C,Cr)和枝晶间碳化物(CrC)组成,合金强化后,修复层组织为过饱和固溶体枝晶(Fe,C,W,Cr)、网络状(Fe,C,w)共晶以及 Fe;C、WC和W,C 组成。这种修复层组织使得叶片修复后耐磨性能较修复前提高了不少，也变相提高了该叶片的使用寿命。
典型应用
将拓扑优化技术与增材制造技术相结合,可以在保证结构材料优异综合性能的同时减轻其内部重量,进而实现飞机航空发动机和燃气轮机关键部件的综合性能提升。例如,张伟等[64选用激光增材制造技术对汽轮机进行修复和强化,修复后的外观一致且表面质量更高,如图 11(a)所示。图11(b)为中国西北工业大学凝固加工重点实验室”利用增材制造技术修复的17-4PH叶轮，与原始材料相比,激光修复区不仅具有相似的显微硬度值(35~40 HRC),并且没有微孔和微裂纹。而且该部件能通过转速为2万 r/min的旋转测试,并再次在使用中运行良好。增材制造技术在民用飞机零部件的构型优化更改方面也具备非常强的优势。欧洲宇航防务集团公司(EADS)将拓扑优化技术与增材制造技术相结合，为空客A380打印的高强不锈钢支架质量比传统铸件少约40%,如图11(c)所示,可实现单架机年运营费用等成本降低数万美元。
05
结论
航空发动机和燃气轮机的发展水平是一个国家综合国力、工业基础和科技水平的集中体现之一,更是国家安全和强国地位的重要战略保障。更高的航空发动机推重比以及燃气轮机单机功率也对内部结构件提出了更高的性能要求,这也为材料成形和加工工艺带来了更多的难题。增材制造技术结合拓扑结构优化方法,可以实现航空发动机及燃气轮复杂结构件的一体化快速成形,突破传统工艺的成形结构限制。其独特的增材工艺使材料利用率相对传统减材工艺大大提高,无模具性又缩短了制造周期,大大降低了制造成本,在国内外航空制造加工领域具有巨大的发展潜力,对航空工业的发展具有重要的价值和意义。
