我國(guó)航空鈦合金風(fēng)扇和高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子取得突破

3D打印技術(shù)是21世紀(jì)引發(fā)新一輪工業(yè)革命的關(guān)鍵技術(shù)。它與傳統(tǒng)的鍛壓+機(jī)械加工、鍛造+焊接等大型金屬構(gòu)件制造技術(shù)相比，具有制造流程短，綜合力學(xué)性能優(yōu)異，材料利用率高，生產(chǎn)成本較為低廉等一系列優(yōu)點(diǎn)，在某些方面甚至可代替價(jià)格極其昂貴的大型鍛鑄工業(yè)裝備。近20年來(lái)已成為國(guó)際材料加工工程與先進(jìn)制造技術(shù)學(xué)科交叉領(lǐng)域的前沿研究熱點(diǎn)。

近年來(lái)我國(guó)3D打印技術(shù)也不斷獲得重大突破，取得了一系列具有國(guó)際領(lǐng)先水平的重大成果。列如，在我國(guó)新一代重型和中型隱身戰(zhàn)斗機(jī)用發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件：高溫鈦合金雙性能整體葉盤也獲得了重大進(jìn)展，采用了激光快速成形雙相鈦合金“ 特種熱處理”新工藝, 激光增材制造出了具有梯度組織和梯度性能的先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金整體葉盤，具有極為優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。新一代高性能軍用飛機(jī)的優(yōu)異作戰(zhàn)性能強(qiáng)烈依賴于先進(jìn)高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用，而整體葉盤技術(shù)將發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、輪盤等零件集成設(shè)計(jì)為一個(gè)整體構(gòu)件，可大幅減少零件數(shù)量，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比和使用可靠性。有資料稱較與傳統(tǒng)的榫齒連接結(jié)構(gòu)相比，每個(gè)整體葉盤可減重約30％。

目前雙性能整體葉盤技術(shù)的制造方法主要采用是焊接法，通過(guò)線性摩擦焊等技術(shù)將不同性能的葉片和盤片焊接為一個(gè)整體。然而焊接法的最大問(wèn)題是連接區(qū)域往往會(huì)成為整個(gè)構(gòu)件的薄弱環(huán)節(jié)，這對(duì)于強(qiáng)調(diào)高可靠性和長(zhǎng)壽命的航空發(fā)動(dòng)機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)部件來(lái)說(shuō)是個(gè)重要隱患。隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展和不斷成熟，人們提出直接在盤體上增材生長(zhǎng)出葉片，通過(guò)同軸送粉激光熔覆方法，在鈦合金盤體邊緣預(yù)先加工出凸臺(tái)，逐層堆積成鈦合金葉片。

傳統(tǒng)鈦合金風(fēng)扇和高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子采用榫齒連接結(jié)構(gòu)，葉片和盤分開(kāi)制造，可以靈活選用不同材料或同一材料不同組織狀態(tài)，這是因?yàn)槿~片需要高的強(qiáng)度、塑性和高周疲勞強(qiáng)度性；而盤片則需要優(yōu)異的耐高溫性、低周疲勞性及損傷容限性，兩者性能要求截然不同。整體葉盤如果采用同一種組織狀態(tài)，往往難以滿足葉片和盤不同的受力和受熱條件要求，在一定程度上各自損失了一些性能。為了挖掘整體葉盤的最大性能潛力，必須發(fā)展雙性能整體葉盤技術(shù)。

鈦合金激光增材制造過(guò)程中移動(dòng)熔池凝固存在池底外延生長(zhǎng)和熔池表面異質(zhì)形核兩種主導(dǎo)凝固方式，通過(guò)對(duì)熔池凝固兩種主要方式的主動(dòng)控制即可實(shí)現(xiàn)對(duì)增材制造金屬構(gòu)件凝固晶粒形態(tài)和力學(xué)性能的主動(dòng)控制。第一種熔池方式可使構(gòu)件獲得定向生長(zhǎng)全柱狀晶組織，其具有優(yōu)異的高溫持久蠕變性能，第二種方式可使構(gòu)件獲得各向同性力學(xué)性能優(yōu)異的等軸晶凝固組織。這兩種方式通過(guò)人為交替排列，可獲得“鋼筋混凝土狀”混合凝固晶粒組織。這種混合凝固晶粒組織迄今未見(jiàn)國(guó)內(nèi)外報(bào)道、傳統(tǒng)冶金鍛鑄技術(shù)也無(wú)法制備。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了整體葉盤葉片和盤體組織性能的精確控制，特別是整體葉盤的盤體到葉片的關(guān)鍵過(guò)渡區(qū)，實(shí)現(xiàn)了組織性能的平穩(wěn)漸進(jìn)過(guò)渡，達(dá)到了航空發(fā)動(dòng)機(jī)專家所希望的要求。