在實現更集成的發(fā)動機方面身堡，GE9X將300多個發(fā)動機部件組合成7個3D打印的部件，其中包括能精確地讓燃料和空氣的混合物進入燃燒室的燃油噴嘴漠趁、低壓渦輪葉片和熱交換器扁凛。另一個是導流器，它能讓發(fā)動機排出吸入的灰塵闯传、沙子和其他碎片，延長發(fā)動機的使用壽命卤妒。這樣創(chuàng)新的設計很難被制造出來甥绿，甚至于之前GE也從未在商用噴氣發(fā)動機中使用過。

這激勵了眾多的GE同行则披，將3D打印用來制造更輕量化共缕、更緊湊、更高效的發(fā)動機士复。本期图谷，3D科學谷結合UTC近日獲得通過的專利US10781707B2(2020年9月22日獲得通過）與谷友共同來領略UTC通過3D打印整體式半葉片方面的探索。

可變面積阱洪，更靈活可變便贵！

可變的需求，3D打印來滿足

燃氣渦輪發(fā)動機通常包括壓縮機部分弱豹、燃燒器部分和渦輪部分遂辐。在運行期間，空氣在壓縮機部分中被加壓履婆，并與燃料混合骤扰，并在燃燒器部分中燃燒以產生熱的燃燒氣體。熱的燃燒氣體通過渦輪部分傳遞各囤，渦輪部分從熱的燃燒氣體中提取能量胜姥，為壓縮機部分和其他燃氣渦輪發(fā)動機負載提供動力站么。

來源：US10781707B2

通常，壓縮機部分和渦輪部分均包括延伸到燃氣渦輪發(fā)動機的核心氣流路徑中的葉片和旋轉葉片的交替陣列裤谆。在壓縮機部分中惨译，壓縮機葉片旋轉以將空氣拉入壓縮機部分中以進行壓縮。壓縮機葉片引導旋轉葉片的不同陣列（也稱為級）之間的氣流枪第，并為下游葉片陣列準備氣流汉锡。

一些壓縮機部分包括可變面積葉片，可變面積葉片包括可移動以改變兩級旋轉葉片之間的核心氣流路徑的葉片兜蠕。為了控制可變面積葉片的運動以在各種工況期間優(yōu)化燃氣渦輪發(fā)動機的性能扰肌，UTC通過3D打印-增材制造技術進行了新的探索與創(chuàng)新。

來源：UTC

根據聯合技術UTC的專利US10781707B2(2020年9月22日獲得通過）環(huán)殼完全圍繞中心軸線延伸以形成第一非分段環(huán)熊杨。內罩繞葉片級的中心軸線周向延伸曙旭，以相對于中心軸線在環(huán)殼內徑向地形成第二非分段的環(huán)。

UTC開發(fā)的具有外部環(huán)殼晶府，內部護罩以及多個固定的半葉片的一體式半葉片結構的透視圖桂躏，通過3D打印-增材制造技術來制造。來源：US10781707B2

UTC開發(fā)的圖2的整體半葉片結構的透視截面圖川陆，通過3D打印-增材制造技術來制造剂习。來源：US10781707B2

多個固定的半葉片在環(huán)殼與內罩之間徑向地延伸，并繞中心軸線周向地間隔開较沪，并且一體地連接到環(huán)殼和內罩鳞绕，半葉片中的每一個均包括從內罩徑向延伸到環(huán)殼的前緣。

UTC開發(fā)的組裝有多個旋轉可變半葉片的一體式半葉片結構的軸向徑向剖視圖尸曼。來源：US10781707B2

將旋轉可變半葉片組裝到固定半葉片后方的整體半葉片結構上们何。固定的半葉片和可變的半葉片一起形成葉片陣列，其中每個葉片具有固定的前緣和可調節(jié)的后緣犁谓，可以對其進行控制以在各種工況下優(yōu)化燃氣渦輪發(fā)動機的性能箭烦。

UTC開發(fā)的整體半葉片結構的環(huán)箱的外表面上的肋的透視圖。來源：US10781707B2

通過嚴格控制固定半葉片在整體半葉片結構內的位置叫逸，這帶來固定半葉片和可變半葉片之間的公差更小苛豺。固定半葉片和可變葉片之間的公差更小，可減少整個葉片的流量不規(guī)則性全乙。與將葉片和護罩段固定在一起的傳統葉片相比偎洋，將環(huán)箱，內部護罩和多個固定的半葉片制成一體還減少了部件數量和葉片的總重量侄伟。

根據3D科學谷的了解睁奶，UTC在開發(fā)過程中充分發(fā)揮了3D打印制造結構一體化零件的優(yōu)勢，通過3D打印-增材制造技術用來制造整體半葉片結構撇委，半葉片與環(huán)殼和內罩成為一體爵蝠，后部的環(huán)殼中形成多個耳軸孔捌唾，每個耳軸孔與固定半葉片之一周向對準并且徑向延伸穿過環(huán)殼。

3D科學谷Review

葉片揩墓、轉子的“精”進

在葉片方面吆视，UTC展開了一系列不懈的探索，根據3D科學谷的市場研究酥宴，早在UTC于2018年獲得通過的專利US10082034B2中披露了UTC開發(fā)的用于燃氣渦輪發(fā)動機的轉子葉片啦吧，轉子可以是混合雙合金整體轉子（IBR），而葉片是由另外一種材料制成的拙寡。

而關于轉子葉片授滓，根據3D科學谷的市場觀察，國際上Hamilton Sundstrand開發(fā)出通過混合增材制造技術來制造包括轂和多個中空葉片的整體轉子葉片的方法肆糕。從輪轂的徑向向外表面連續(xù)向外連續(xù)地形成多個分段層般堆。在形成多個中空葉片的同時，還在多個中空葉片中形成一個或多個空腔诚啃。

而GE則將近壁冷卻運用到轉子葉片上淮摔，GE公司通過3D打印技術開發(fā)了一種渦輪轉子葉片，葉片的特殊設計包括由凹壓側外壁和凸吸入側外壁限定的翼型始赎，翼型沿前緣和后緣連接和橙，并且在它們之間形成徑向延伸的腔室，用于接收冷卻劑的流動造垛。

研發(fā)領域胃碾，國際上ACAM-亞琛增材制造中心的研發(fā)成員，來自亞琛工業(yè)大學數字化增材生產DAP的渦輪機械專家與Fraunhofer弗勞恩霍夫生產技術研究所IPT合作一體化葉盤由鎳基超級合金IN 718制成蛹鼎，研究人員成功地為葉盤開發(fā)了LPBF制造工藝，還應用了點陣晶格結構來支撐構建過程中的部件涯贝，使得后期需要去除的材料顯著減少列充，并且避免了銑削過程中的振動。

國內根據中國航發(fā)商用航空發(fā)動機的專利CN209569034U跃呛，中國航發(fā)商用航空發(fā)動機開發(fā)了兩端分別設置有外環(huán)安裝邊的靜子導向葉片频咨，外環(huán)安裝邊的設計包括胞元結構的填充材料，新型靜子導向葉片及包括其的航空發(fā)動機通過安裝邊本體的結構設計秦砌，取消了襯墊結構埃账，達到同樣或更優(yōu)減少微動磨損和減少氣動損失的目的(不改變其它零件結構)。通過在安裝邊胞元結構內部填充合適的熱膨脹系數更大的材料经聊，能夠實現熱膨脹變形能夠達到預期效果唱棍，以及應力水平在可控范圍內。

根據中國航發(fā)北京航空材料研究院的專利CN107138924A守譬，中國航發(fā)北京航空材料研究院開發(fā)了一種雙金屬雙性能鈦合金整體葉盤制造方法估喷，首先在輪盤鍛件基礎上采用電子束熔絲沉積增材制造方法制造出不同材料的鈦合金葉片毛坯凛忿；然后采用機械加工或電解加工至葉片設計尺寸，最終實現雙金屬雙性能鈦合金整體葉盤的制造竞川。

設計與材料雙重發(fā)力

正如ACAM中國董事王曉燕在《3D打印助力動力裝備發(fā)展報告》提到的在渦輪發(fā)動機葉片的運轉過程中店溢，裂紋是葉片的致命缺陷，葉片的發(fā)展趨勢是采用更耐高溫的合金委乌，冷卻設計越來越復雜床牧，同時采用高效的隔熱涂層。而3D打印通過實現更均勻可控的晶體組織遭贸、更復雜的葉片冷卻通道戈咳、與金屬基體結合更緊密的隔熱涂層，從而提升了葉片的性能革砸。

3D打印除秀，在實現更好的葉片及與結構一體化的設計與制造方面，正在發(fā)揮神奇的四兩撥千斤的作用算利。

（3DSCIENCEVALLEY）

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