南科大頂刊：噴氣發動機部件的增材設計與制造
時間：2024-07-10 09:30 來源：增材制造碩博聯盟 作者：admin 閱讀：次
噴氣發動機部件的增材設計（AD）和增材制造（AM）將徹底改變傳統的航空航天工業。增材設計的獨特性開創了噴氣發動機設計和制造的新方向，比如梯度材料和微觀結構。工程師已經從傳統方法和技術的諸多限制中解放出來。增材制造過程最重要的特征之一是其可以確保零件的一致性，因為它始于點，繼而到線和層面，直至整個部件完成。設計和制造之間的協調是空氣動力學、熱力學、結構整合、傳熱、材料開發和加工等方面取得成功的關鍵。工程師必須改變設計零件的方式，因為他們要從傳統的“減材”方法轉移到“增材”的新方法來制造零件。增材設計與增材制造設計不一樣。我們需要一種新方法和新工具來協助這種新的設計和制方式。本文詳細討論了增材設計與增材制造中的需求，以及如何解決當前的問題。
論文下載鏈接：https://doi.org/10.1016/J.ENG.2017.05.017
增材制造（AM）是一種宏觀結構與微觀組織一體化制造相結合的新技術。目前噴氣發動機部件的特殊幾何形狀一般采用傳統的減材加工方法，如銼削、車削、銑削、磨削金屬塊料等，另外還有傳統的鑄造和鍛造方法，但是這些工藝對制備具有復雜結構的構件存在局限。
增材制造金屬構件由于具有低成本、短周期、高設計自由度及可靠性，是制造噴氣發動機部件的最佳選擇。如圖1所示，由于其形狀不規則和結構復雜的特點，大約超過75%的噴氣發動機部件都適用于增材制造，突破傳統制備方法對構件形狀設計的局限性能，使得從空氣動力學和結構完整性的角度優化設計噴氣發動機翼型成為可能。
增材制造代表了制備工藝發展的新階段，從通過鍛造或切削來制造產品過渡到通過增加材料來制造產品。相比傳統制造技術，增材制造最明顯的優勢是能夠制備結構復雜的構件，尤其是復雜內部結構。增材制造的另一個優點是節省材料，尤其適用于貴金屬的加工制備。此外，增材制造還具有其他的獨特優勢，能制備成分不一樣的梯度材料，在此不做詳細討論。
除了節省材料和減輕重量外，噴氣發動機在航空客運領域需保證飛行時的安全和高效，因此在一定程度上，增材制造無法替代傳統制備工藝，且增材制造與傳統制備工藝相比，從構件生產“減法”到“加法”的顛覆性改變，使其制備工藝產生了許多新變量，從而影響最終產品性能。
增材制造的出現使通過采用單獨工藝制造多種材料的部件變得切實可行，且不需要任何諸如螺栓、螺母等連接元件。例如，為了滿足部件內不同位置的不同要求，可以采用具有不同力學性能的不同材料制造該部件，這些不同的性能包括強度、頻率、剛度、高循環疲勞（HCF）或低循環疲勞（LCF）、耐腐蝕性和蠕變性能。通過增材制造，可以根據終端用戶的要求直接設計，并且不必考慮制備工藝對其形狀的局限。然而，目前噴氣發動機研究人員還沒有準備好利用增材制造來生產復合材料結構，特別是在微觀尺度上，原因是目前缺乏分析這種結構的方法、工具、條件和標準。梯度材料的結構和（或）次表面的微觀結構可能比復合結構更加復雜——既非均質的，也非各向同性，并且沒有明顯邊界或界面。
目前已有的固體結構分析方法，如有限元法或固體力學和材料強度的傳統理論，不適用于具有梯度材料和（或）次表面微觀結構的部件。胡克定律、泊松比和低循環疲勞和高循環疲勞的S-N曲線等實驗曲線都是基于“純”材料本身，而非基于所評估構件的實際成分，因此雖然這些方法被廣泛使用，但其結果并不一定正確。
過去，研究人員根據涉及材料的力學性能對復雜結構做出判斷是不合理的，因為他們缺乏具有強大分析能力的計算機、有限元法和檢測技術，因此工程師普遍使用的做法是在評估材料的力學性能時引入“安全系數”，然而由于缺乏連接材料特性與結構的標準程序，這種做法的結果不甚理想，易導致高估或低估構件強度或壽命。這是因為構件的應力/應變通常是三維（3D）矢量，而材料的力學性能是從該材料的標準樣品獲得，并且在簡單的應力/應變狀態下進行測試，以便可以提出與材料特性相比較的“標準化”數字。除增材設計（AD）外，充分利用增材制造來構建結構才能解決這個問題，這是研究人員尚未涉及的領域。
對于噴氣式發動機，中空或內部網格結構以及梯度材料與強度、熱效率、傳熱和冷卻、剛度分布、固有頻率、壽命及所有其他結構整合問題相關聯。與傳統的制造設計（DFM）不同，功能設計意味著優化設計，使其更加高效和可靠。由于缺乏增材制造的能力，工程師通常無法對一個部件或發動機進行優化。噴氣發動機的傳統設計是一個在材料工藝、傳熱、空氣動力學、結構完整性、控制、機械系統和制造等不同方面折中的過程。然而，增材制造技術的特殊功能為改變傳統制造設計的概念提供了可能，通過改變工程師的設計愿景，其采用新的方法來滿足客戶的要求，并改善產品性能、效率、質量和成本。這些功能包括形狀復雜性、層次復雜性、裝配復雜性和材料復雜性。
增材設計注重層次的次表面多孔結構設計，以便“主動”設計一個從不同學科角度看具有解耦關系的部件。以噴氣發動機為例，空氣動力學工程師首先為流路創造了一個理想的形狀，結構工程師將這個理想的形狀作為預定的邊界條件。為滿足零件結構完整性的要求，結構工程師可以保持理想的形狀不變，通過主動布置材料分布和微觀結構來設計次表面結構。
由于噴氣發動機部件具有明確的空氣動力學形狀，對其進行拓撲優化幾乎是不可能的，其關鍵的設計要求是在多個尺度上進行分層設計。到目前為止，噴氣發動機設計界的大部分工程師仍然被傳統的思維方式困擾：他們仍在討論材料的力學性能，而非結構本身的性能。即使在增材制造中，大多數研究人員和工程師仍然在研究如何通過創造某種多孔材料，而不是多孔結構來改進其設計。最常見的多孔材料是一種晶格材料。為了定義多孔結構，設計每個空單元的形狀、大小、位置和方向是很有必要。單元格的概念非常接近多孔結構的概念。到目前為止，增材制造中只有多孔結構被用作分層結構。
最普遍的多孔結構是基于梁的晶格結構。這個概念繼承了傳統的拓撲思維和實踐方法，尤其是那些使用有限元分析等工具的方法。然而，增材制造的應用，將使結構工程師不再受到人造類型的幾何結構的約束，如自然界中不存在的晶格結構。相反，他們受到網狀結構的啟發，如人骨次表面的結構。根據網狀結構的功能要求，其在尺寸和形狀上具有不規則的分布。因此，增材制造設計中的挑戰之一是網狀結構設計的民主化，而不受限于內部或次表面網狀結構的形狀和（或）尺寸。
在制造和分析具有次表面多孔結構的部件方面存在兩個挑戰：其一是創建一個沒有輔助支持的懸空形狀結構；其二是計算成本的承受能力，這決定了多孔結構模型的細致程度。
我們的解決方案是創建一個空心球有限元，而不是由元件組成的球體，與其他類型的現有元件一樣，該空心球有限元件具有由其半徑、厚度及其上面的孔而限定的幾何規格。由于球體的對稱形狀，空心球有限元的本構方程十分簡單，除了球體的許多優越的力學性能之外，使用球形結構最重要的原因是它不需要增材制造技術的輔助支撐。這個解決方案需要一個全新的理論、方法和工具，以及訓練有素的工程師。
在增材設計和增材制造的創新方面，我們面臨兩個關鍵的挑戰：第一個挑戰是設計具有梯度材料和（或）次表層微結構的新部件，這樣的部件必須能夠滿足噴氣發動機部件的不同要求；第二個挑戰是要符合用于具有梯度材料和（或）次表面微結構的結構體的制造和應用的法規代碼的新標準。
由于擺脫了傳統制造過程的限制，設計領域發生了顛覆性的變化。工程師們已經發現了許多結構的創新設計，這些設計甚至能夠導致負熱膨脹、負剛度、負泊松比等。此外，工程師可以主動地按需設計一個具有特定振動模式形狀、故障模式、壽命分布等的結構。基于典型的渦輪風扇噴氣發動機，我們預計可以使用增材制造技術對發動機進行大幅改進，提高其效率、安全性、可靠性和成本效益（圖2）。
例如，一個空心扇葉（圖3）必須滿足鳥擊要求、調頻要求、HCF和LCF要求、偏轉要求等，如何協調滿足所有要求是設計工程師的目標。與傳統的設計方法不同，它無需在空氣動力學工程師、結構工程師和制造工程師之間來回重復地進行交互設計。相反，團隊中的每個成員現在都可以不必擔心受到其他學科的約束，而設計一個“最好”的部分，因為他們可以改變材料和次表面的微觀結構。
通過增材設計和增材制造，可實現具有較優空氣動力學性能、傳熱性能、應力分布及力學性能的高溫高壓高速渦輪葉片的制備，同時降低其制備成本。例如，在考慮較優的傳熱效率的冷卻結構設計中（圖4），對構件中溫度梯度及溫度的最佳控制，使得材料在合適的溫度范圍內工作。同時，由于材料較少，熱梯度較低，因此結構或部件受到的離心力和熱約束的影響較小。
增材設計的優點包括：
①中空結構可以減少質量和離心力；
②更好的冷卻結構可降低溫度和梯度，降低熱應力，提高效率；
③用微觀結構代替單晶合金能降低成本；
④用增材制造代替精密鑄造，保證質量，縮短上市時間。
或許在不遠的將來，增材制造將完全取代傳統定向凝固技術制備單晶高溫合金（圖5），同時我們還可利用增材制造復雜結構制備的優勢，通過設計內部冷卻通道、優化構件結構及材料，降低構件溫度、增強傳熱、減少應力。
然而，目前還有許多與增材制造相關的問題尚未得到解決，尤其是對于復雜亞表面結構或梯度材料，需要應用次表面微結構和（或）梯度材料的噴氣發動機部件。在荷載和結構或材料之間建立一個相應的本構關系極其必要。因此，像有限元法這樣傳統的分析工具，不能用來分析這種新型的結構，無論這種結構是由梯度材料還是由次表面微結構構成的。此外，這種全新的結構還沒有設計標準，也沒有相關的適航條例。除了上述的設計和制造問題，以及對新的分析標準和規定的要求之外，增材制造打印過程的速度太慢，這一問題也必須得以解決。盡管如此，制造業從“減材制造”到“增材制造”的飛躍是一場設計和制造領域的革命，這場革命將對人類生活的各個方面提出挑戰，處于這場新一輪革命最前沿的人們將改變整個世界（圖6）。
論文下載鏈接：https://doi.org/10.1016/J.ENG.2017.05.017
增材制造（AM）是一種宏觀結構與微觀組織一體化制造相結合的新技術。目前噴氣發動機部件的特殊幾何形狀一般采用傳統的減材加工方法，如銼削、車削、銑削、磨削金屬塊料等，另外還有傳統的鑄造和鍛造方法，但是這些工藝對制備具有復雜結構的構件存在局限。
增材制造金屬構件由于具有低成本、短周期、高設計自由度及可靠性，是制造噴氣發動機部件的最佳選擇。如圖1所示，由于其形狀不規則和結構復雜的特點，大約超過75%的噴氣發動機部件都適用于增材制造，突破傳統制備方法對構件形狀設計的局限性能，使得從空氣動力學和結構完整性的角度優化設計噴氣發動機翼型成為可能。
圖1. 增材制造在噴氣發動機的應用。(a)渦輪風扇噴氣發動機；(b)燃料噴嘴；(c)高壓渦輪噴嘴；(d)高壓渦輪葉片。
增材制造代表了制備工藝發展的新階段，從通過鍛造或切削來制造產品過渡到通過增加材料來制造產品。相比傳統制造技術，增材制造最明顯的優勢是能夠制備結構復雜的構件，尤其是復雜內部結構。增材制造的另一個優點是節省材料，尤其適用于貴金屬的加工制備。此外，增材制造還具有其他的獨特優勢，能制備成分不一樣的梯度材料，在此不做詳細討論。
除了節省材料和減輕重量外，噴氣發動機在航空客運領域需保證飛行時的安全和高效，因此在一定程度上，增材制造無法替代傳統制備工藝，且增材制造與傳統制備工藝相比，從構件生產“減法”到“加法”的顛覆性改變，使其制備工藝產生了許多新變量，從而影響最終產品性能。
增材制造的出現使通過采用單獨工藝制造多種材料的部件變得切實可行，且不需要任何諸如螺栓、螺母等連接元件。例如，為了滿足部件內不同位置的不同要求，可以采用具有不同力學性能的不同材料制造該部件，這些不同的性能包括強度、頻率、剛度、高循環疲勞（HCF）或低循環疲勞（LCF）、耐腐蝕性和蠕變性能。通過增材制造，可以根據終端用戶的要求直接設計，并且不必考慮制備工藝對其形狀的局限。然而，目前噴氣發動機研究人員還沒有準備好利用增材制造來生產復合材料結構，特別是在微觀尺度上，原因是目前缺乏分析這種結構的方法、工具、條件和標準。梯度材料的結構和（或）次表面的微觀結構可能比復合結構更加復雜——既非均質的，也非各向同性，并且沒有明顯邊界或界面。
目前已有的固體結構分析方法，如有限元法或固體力學和材料強度的傳統理論，不適用于具有梯度材料和（或）次表面微觀結構的部件。胡克定律、泊松比和低循環疲勞和高循環疲勞的S-N曲線等實驗曲線都是基于“純”材料本身，而非基于所評估構件的實際成分，因此雖然這些方法被廣泛使用，但其結果并不一定正確。
過去，研究人員根據涉及材料的力學性能對復雜結構做出判斷是不合理的，因為他們缺乏具有強大分析能力的計算機、有限元法和檢測技術，因此工程師普遍使用的做法是在評估材料的力學性能時引入“安全系數”，然而由于缺乏連接材料特性與結構的標準程序，這種做法的結果不甚理想，易導致高估或低估構件強度或壽命。這是因為構件的應力/應變通常是三維（3D）矢量，而材料的力學性能是從該材料的標準樣品獲得，并且在簡單的應力/應變狀態下進行測試，以便可以提出與材料特性相比較的“標準化”數字。除增材設計（AD）外，充分利用增材制造來構建結構才能解決這個問題，這是研究人員尚未涉及的領域。
對于噴氣式發動機，中空或內部網格結構以及梯度材料與強度、熱效率、傳熱和冷卻、剛度分布、固有頻率、壽命及所有其他結構整合問題相關聯。與傳統的制造設計（DFM）不同，功能設計意味著優化設計，使其更加高效和可靠。由于缺乏增材制造的能力，工程師通常無法對一個部件或發動機進行優化。噴氣發動機的傳統設計是一個在材料工藝、傳熱、空氣動力學、結構完整性、控制、機械系統和制造等不同方面折中的過程。然而，增材制造技術的特殊功能為改變傳統制造設計的概念提供了可能，通過改變工程師的設計愿景，其采用新的方法來滿足客戶的要求，并改善產品性能、效率、質量和成本。這些功能包括形狀復雜性、層次復雜性、裝配復雜性和材料復雜性。
增材設計注重層次的次表面多孔結構設計，以便“主動”設計一個從不同學科角度看具有解耦關系的部件。以噴氣發動機為例，空氣動力學工程師首先為流路創造了一個理想的形狀，結構工程師將這個理想的形狀作為預定的邊界條件。為滿足零件結構完整性的要求，結構工程師可以保持理想的形狀不變，通過主動布置材料分布和微觀結構來設計次表面結構。
由于噴氣發動機部件具有明確的空氣動力學形狀，對其進行拓撲優化幾乎是不可能的，其關鍵的設計要求是在多個尺度上進行分層設計。到目前為止，噴氣發動機設計界的大部分工程師仍然被傳統的思維方式困擾：他們仍在討論材料的力學性能，而非結構本身的性能。即使在增材制造中，大多數研究人員和工程師仍然在研究如何通過創造某種多孔材料，而不是多孔結構來改進其設計。最常見的多孔材料是一種晶格材料。為了定義多孔結構，設計每個空單元的形狀、大小、位置和方向是很有必要。單元格的概念非常接近多孔結構的概念。到目前為止，增材制造中只有多孔結構被用作分層結構。
最普遍的多孔結構是基于梁的晶格結構。這個概念繼承了傳統的拓撲思維和實踐方法，尤其是那些使用有限元分析等工具的方法。然而，增材制造的應用，將使結構工程師不再受到人造類型的幾何結構的約束，如自然界中不存在的晶格結構。相反，他們受到網狀結構的啟發，如人骨次表面的結構。根據網狀結構的功能要求，其在尺寸和形狀上具有不規則的分布。因此，增材制造設計中的挑戰之一是網狀結構設計的民主化，而不受限于內部或次表面網狀結構的形狀和（或）尺寸。
在制造和分析具有次表面多孔結構的部件方面存在兩個挑戰：其一是創建一個沒有輔助支持的懸空形狀結構；其二是計算成本的承受能力，這決定了多孔結構模型的細致程度。
我們的解決方案是創建一個空心球有限元，而不是由元件組成的球體，與其他類型的現有元件一樣，該空心球有限元件具有由其半徑、厚度及其上面的孔而限定的幾何規格。由于球體的對稱形狀，空心球有限元的本構方程十分簡單，除了球體的許多優越的力學性能之外，使用球形結構最重要的原因是它不需要增材制造技術的輔助支撐。這個解決方案需要一個全新的理論、方法和工具，以及訓練有素的工程師。
在增材設計和增材制造的創新方面，我們面臨兩個關鍵的挑戰：第一個挑戰是設計具有梯度材料和（或）次表層微結構的新部件，這樣的部件必須能夠滿足噴氣發動機部件的不同要求；第二個挑戰是要符合用于具有梯度材料和（或）次表面微結構的結構體的制造和應用的法規代碼的新標準。
由于擺脫了傳統制造過程的限制，設計領域發生了顛覆性的變化。工程師們已經發現了許多結構的創新設計，這些設計甚至能夠導致負熱膨脹、負剛度、負泊松比等。此外，工程師可以主動地按需設計一個具有特定振動模式形狀、故障模式、壽命分布等的結構。基于典型的渦輪風扇噴氣發動機，我們預計可以使用增材制造技術對發動機進行大幅改進，提高其效率、安全性、可靠性和成本效益（圖2）。
圖2. 通過AD / AM對噴氣發動機進行增值改進。圖中綠色區域表示有很大潛力可以通過AD / AM進行改善。
例如，一個空心扇葉（圖3）必須滿足鳥擊要求、調頻要求、HCF和LCF要求、偏轉要求等，如何協調滿足所有要求是設計工程師的目標。與傳統的設計方法不同，它無需在空氣動力學工程師、結構工程師和制造工程師之間來回重復地進行交互設計。相反，團隊中的每個成員現在都可以不必擔心受到其他學科的約束，而設計一個“最好”的部分，因為他們可以改變材料和次表面的微觀結構。
圖3. 當前的扇葉設計方法和未來的扇葉設計。DB / SPF：擴散黏合/片材超塑成形。
通過增材設計和增材制造，可實現具有較優空氣動力學性能、傳熱性能、應力分布及力學性能的高溫高壓高速渦輪葉片的制備，同時降低其制備成本。例如，在考慮較優的傳熱效率的冷卻結構設計中（圖4），對構件中溫度梯度及溫度的最佳控制，使得材料在合適的溫度范圍內工作。同時，由于材料較少，熱梯度較低，因此結構或部件受到的離心力和熱約束的影響較小。
圖4. 通過AD / AM改善高壓渦輪葉片冷卻結構。（a）不同的冷卻機制；（b）渦輪葉片冷卻結構的發展。
增材設計的優點包括：
①中空結構可以減少質量和離心力；
②更好的冷卻結構可降低溫度和梯度，降低熱應力，提高效率；
③用微觀結構代替單晶合金能降低成本；
④用增材制造代替精密鑄造，保證質量，縮短上市時間。
或許在不遠的將來，增材制造將完全取代傳統定向凝固技術制備單晶高溫合金（圖5），同時我們還可利用增材制造復雜結構制備的優勢，通過設計內部冷卻通道、優化構件結構及材料，降低構件溫度、增強傳熱、減少應力。
圖5. 以渦輪葉片設計為例，3D打印將徹底改變渦輪葉片設計，并改變我們對特殊材料的依賴。(a)材料的潛力有限；(b)一體式葉片轉子的冷卻結構。TBC：熱障涂層；SX：單晶合金；CMC：陶瓷基質復合材料。
然而，目前還有許多與增材制造相關的問題尚未得到解決，尤其是對于復雜亞表面結構或梯度材料，需要應用次表面微結構和（或）梯度材料的噴氣發動機部件。在荷載和結構或材料之間建立一個相應的本構關系極其必要。因此，像有限元法這樣傳統的分析工具，不能用來分析這種新型的結構，無論這種結構是由梯度材料還是由次表面微結構構成的。此外，這種全新的結構還沒有設計標準，也沒有相關的適航條例。除了上述的設計和制造問題，以及對新的分析標準和規定的要求之外，增材制造打印過程的速度太慢，這一問題也必須得以解決。盡管如此，制造業從“減材制造”到“增材制造”的飛躍是一場設計和制造領域的革命，這場革命將對人類生活的各個方面提出挑戰，處于這場新一輪革命最前沿的人們將改變整個世界（圖6）。
圖6. 這一新的工程學科面臨材料、力學、數學和物理領域的挑戰。AD / AM為改變世界提供了可能。
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