我國航空鈦合金風扇和高壓壓氣機轉(zhuǎn)子取得突破

3D打印技術(shù)是21世紀引發(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，在某些方面甚至可代替價格極其昂貴的大型鍛鑄工業(yè)裝備。近20年來已成為國際材料加工工程與先進制造技術(shù)學科交叉領(lǐng)域的前沿研究熱點。

近年來我國3D打印技術(shù)也不斷獲得重大突破，取得了一系列具有國際領(lǐng)先水平的重大成果。列如，在我國新一代重型和中型隱身戰(zhàn)斗機用發(fā)動機關(guān)鍵部件：高溫鈦合金雙性能整體葉盤也獲得了重大進展，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航空發(fā)動機鈦合金整體葉盤，具有極為優(yōu)異的綜合力學性能。新一代高性能軍用飛機的優(yōu)異作戰(zhàn)性能強烈依賴于先進高推重比航空發(fā)動機的應(yīng)用，而整體葉盤技術(shù)將發(fā)動機葉片、輪盤等零件集成設(shè)計為一個整體構(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)動機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整體。然而焊接法的最大問題是連接區(qū)域往往會成為整個構(gòu)件的薄弱環(huán)節(jié)，這對于強調(diào)高可靠性和長壽命的航空發(fā)動機高速轉(zhuǎn)動部件來說是個重要隱患。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出葉片，通過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，逐層堆積成鈦合金葉片。

傳統(tǒng)鈦合金風扇和高壓壓氣機轉(zhuǎn)子采用榫齒連接結(jié)構(gòu)，葉片和盤分開制造，可以靈活選用不同材料或同一材料不同組織狀態(tài)，這是因為葉片需要高的強度、塑性和高周疲勞強度性；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程中移動熔池凝固存在池底外延生長和熔池表面異質(zhì)形核兩種主導(dǎo)凝固方式，通過對熔池凝固兩種主要方式的主動控制即可實現(xiàn)對增材制造金屬構(gòu)件凝固晶粒形態(tài)和力學性能的主動控制。第一種熔池方式可使構(gòu)件獲得定向生長全柱狀晶組織，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性能優(yōu)異的等軸晶凝固組織。這兩種方式通過人為交替排列，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國內(nèi)外報道、傳統(tǒng)冶金鍛鑄技術(shù)也無法制備。該技術(shù)實現(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)鍵過渡區(qū)，實現(xiàn)了組織性能的平穩(wěn)漸進過渡，達到了航空發(fā)動機專家所希望的要求。